站臺屏蔽門風壓結構測試裝置的仿真分析與優化

摘要：站臺屏蔽門風壓結構測試是檢測地鐵站臺屏蔽門安全性與穩定性的重要測試，其測試結果的準確性是地鐵站臺屏蔽門設計安全的重要保證。通過仿真分析與實驗驗證，旨在分析出站臺屏蔽門風壓結構測試裝置的準確性，并進一步提高其準確度。首先，構建站臺屏蔽門樣機模型，運用ANSYS軟件對風壓結構測試裝置的施加載荷方式進行仿真分析驗證，并與真實載荷的作用結果進行對比分析，同時搭建樣機驗證。結果顯示，風壓結構測試裝置準確度達到93.39%。之后，通過優化風壓結構測試裝置中氣缸的數量及相對位置，發現當玻璃面均布氣缸數小于6×6時，隨著均布氣缸數量的提升，裝置準確度提升明顯，當高于此數量時，隨著氣缸數量的提升，裝置準確度雖有些許增加，但增加幅度并不明顯，且裝置復雜程度增加。最終確定單個玻璃面氣缸的最優布置形式為6×6。此時，對整個站臺門系統單元施加載荷，風壓測試裝置的準確度提升到98.36%，為后續其結構的改進提供了可靠支撐。

關鍵詞：站臺屏蔽門；風壓結構測試；ANSYS；仿真分析

中圖分類號：TH114"""""""""""""""""""""""" 文獻標志碼：A"""""""""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.02.005

文章編號：1006-0316 （2025） 02-0034-08

Simulation Analysis and Optimization of Wind-Pressure Structure Testing Device for

Platform Screen Doors

CHEN Mingming，HAO Dengyun，ZHAO Yuwei，LIU Xiaoteng，WEI Yuanpeng

（ The 713 Research Institute of CSSC， Zhengzhou 450015， China ）

Abstract：The wind pressure structure test of platform screen doors is an important test for detecting the safety and stability of subway platform screen doors. The accuracy of its test results is an important guarantee for the safety of subway platform screen door design. Through simulation analysis and experimental verification， the aim is to analyze the accuracy of the wind pressure structure testing device for platform screen doors and further improve its accuracy. Firstly， a prototype model of the platform screen door was constructed. ANSYS software was used to simulate and analyze the load application method of the wind pressure structure testing device， and the results were compared with the actual load. At the same time， a prototype was built to verify the results. The accuracy of the wind pressure structure testing device reached 93.39%. Afterwards， by optimizing the number and relative position of cylinders in the wind pressure structure testing device， it was found that when the number of uniformly distributed cylinders on the glass surface was less than 6×6， the accuracy of the device improved significantly with the increase of the number of uniformly distributed cylinders. When it exceeded this number， although the accuracy of the device slightly increased with the increase of the number of cylinders， the effect was not significant， and the complexity of the device increased. The optimal arrangement of cylinders for a single glass surface was ultimately determined to be 6×6. At this point， when a load was applied to the entire platform door system unit， the accuracy of the wind pressure testing device increased to 98.36%， providing reliable support for the subsequent improvement of its structure.

Key words：platform screen doors；wind pressure structure testing；ANSYS；simulation analysis

地鐵站臺屏蔽門于20世紀80年代出現，是安裝于車站站臺與列車之間的重要結構組成部分，具有安全、節能等功能，是地鐵安全防護和環境控制設施[1-4]。站臺屏蔽門系統需承受城市軌道列車進出車站時產生的風壓載荷以及由人群擠壓產生的人群載荷[5-8]。風壓結構測試是檢測地鐵站臺屏蔽門安全性與穩定性的重要測試[9]。在地鐵站臺屏蔽門設計完成后，為保障乘客的人生安全和列車的行駛安全，需對屏蔽門系統單元進行結構測試，其各項測試指標均符合要求后，才會投入工程實際應用，其結果的準確性直接影響地鐵站臺屏蔽門設計安全，是地鐵列車運行安全的的重要保證[10-12]。

韓曉蘭等[13]對整個站臺門單元系統整面進行了仿真分析。周梅等[14]研究了地鐵列車過站時風壓對地鐵站臺門的影響。王麗慧等[15]研究了變工況下地鐵屏蔽門風壓特性。王志飛等[16]通過測點法研究了列車高速過站時風壓對站臺門結構特性的影響。但以上實驗是在真實環境中測試，對整個面施加均布載荷難度大，需要大型裝置，存在難以操作等問題。曲澤超等[17]設計了一種簡便的風壓結構測試裝置，但對整面施加均勻載荷和點模擬載荷的差異并未進行論證和分析。

為確保站臺屏蔽門風壓結構測試裝置的準確性，本文構建了站臺屏蔽門樣機模型，運用ANSYS軟件對風壓結構測試裝置的施加載荷方式進行仿真分析驗證，并與真實載荷的作用結果進行對比分析，同時搭建樣機來驗證仿真結果的準確性，然后通過優化風壓結構測試裝置中氣缸的數量及相對位置，來進一步提高結果的準確性。

1 風壓測試裝置準確性的驗證分析

1.1 屏蔽門單元結構組成及載荷分析

屏蔽門系統標準門體單元分為滑動門、固定門和應急門，如圖1所示。

根據GB 50157－2013[18]與CJ/T 236－2022[19]等的相關規定，結合工程實際，地鐵站臺屏蔽門系統主要承載的外部載荷有：風壓荷載、人群擠壓荷載及沖擊荷載。其載荷情況如表1所示。

地鐵站臺屏蔽門系統設計中，因人群擠壓荷載與沖擊荷載不同時作用，且站臺門單元門體平均長度超過2 m，按最不利載荷組成的工況，即按風壓載荷和人群擠壓載荷共同作用的門體工況進行分析驗證。風壓結構測試裝置如圖2所示，用于模擬測試屏蔽門系統的承載情況，結構簡單，操作方便。其中氣缸A模擬人群擠壓載荷，布置于1.1 m高度；氣缸B模擬風壓載荷，按水平方向間距500 mm、垂直方向間距500 mm均勻分布。氣缸直徑為50 mm。

1.2 運用ANSYS對屏蔽門單元進行計算分析

1.2.1 模型簡化

門體結構需在承受極限載荷的情況下不超過限界要求，并保證強度。站臺門結構中主要承載部分為門體和鋼結構，為提高計算效率，對站臺門系統模型進行簡化，減少非承載結構，將門體和鋼結構間設為固定連接（簡化了螺栓連接結構），并對該部分進行仿真分析。簡化后模型如圖3所示。承載結構及其材料主要如表2所示。

在ANSYS軟件中對材料屬性按照所用材料標準進行設置。由于各鋼結構件之間采用高強度螺栓連接，變形小、強度高，為便于計算，各結構件間設為固定連接方式；玻璃與門框間采用高強度結構膠固定，此處也采用固定連接。單元劃分尺寸為0.001 m，單元質量情況如圖4所示，主要分布在0.63～0.75間，單元質量較高，結果較準確。

1.2.2 載荷加載及支撐面設置

按照實際應用情況，分別設置站臺門系統底座平面及立柱上部固定件為固定支撐平面，模擬整面均勻加載情況如圖5所示。

風壓測試裝置氣缸載荷加載情況如圖6所示，其中載荷A模擬風壓測試裝置的風壓氣缸載荷，載荷C模擬風壓測試裝置的人群擠壓氣缸載荷。

Tet10為10個節點的四面體單元；Hex20為20個節點的六面體單元；Wed15為15個節點的棱柱。

1.2.3 結果分析

為測試風壓測試裝置對整面均勻加載的模擬情況，在門單元設置6處變形探針[8-9]，均位于1.1 m高位置處，具體位置如圖7所示。

模擬整面均勻加載仿真結果如圖8所示，最大變形量12.753 mm；風壓測試裝置載荷加載仿真結果如圖9所示，最大變形量12.151 mm。兩者最大變形量均位于固定門玻璃中心。

風壓測試裝置在現場的加載情況如圖10所示，其位置與樣機實物測試位置相符。各處探針實際測量結果如表3所示。其中，準確度計算為：

（1）

式中：為現場實測結果與整面均勻載荷作用的準確度；為現場實測氣缸載荷作用下的最大變形量；為整面均勻載荷作用情況下的最大變形量。

由表3可以看出，風壓測試裝置載荷加載現場測試結果與風壓測試裝置載荷加載仿真結果基本一致，且實驗測試結果與整面均勻載荷作用情況下的結果相比，表現出較高的準確度，最大變形處（都在固定門玻璃中心）的準確度為93.39%，驗證了風壓結構測試裝置能夠為屏蔽門單元提供風壓載荷及人群擠壓載荷測試，有利于驗證屏蔽門系統的穩定性和可靠性。

2 風壓結構測試裝置的優化

風壓測試裝置加載結果與實際情況測試結果基本保持一致，但準確度仍可能進一步提高。針對最大變形處的固定門玻璃，探究進一步提高裝置準確性的方案。

2.1 水平方向最佳氣缸布置方案分析

固定門玻璃尺寸為2560 mm×2150 mm，厚度10 mm。在其中心位置處設置2560 mm×50 mm的施壓帶，大小1500 Pa。同時分別設置均勻分布的2～8個氣缸作用面用于替代整體施壓，為防止ANSYS軟件因網格劃分不同帶來的結果細微差別，將氣缸作用面進行統一設置。均布8個氣缸面作用形式的氣缸位置圖如圖11所示。

根據仿真結果計算出在分別均布2～8個氣缸施加載荷情況下的玻璃最大變形量相對整條施壓帶均布1500 Pa壓力情況下的玻璃最大變形量的準確度。如表4所示。

玻璃長度為2560 mm時，裝置測試氣缸模擬與整面模擬下的玻璃變形比值如圖12所示。

結合表4可以看出，當氣缸數少于6個時，隨氣缸數量的增加，裝置準確度提升明顯；當均布氣缸數目為6時，最大變形處的準確度達到99%以上；但當氣缸數量超過6個后，裝置準確度提升不明顯。

為驗證結果的普遍性，研究了玻璃長度在2000～3000 mm內變化時，不同數量氣缸作用下與實際情況的比值，結果如圖13所示。可以看出，當氣缸在6個以上時，不同數量氣缸加載與整面加載的結果均能保持較高的準確度，結果穩定可靠。考慮到裝置中氣缸數量越多則系統越復雜，會增加操作難度，故單一方向（水平方向）上最佳氣缸均勻布置數量為6個。

2.2 豎直方向最佳氣缸布置方案分析

對整個面2560 mm×2150 mm施加均布壓力帶，大小1500 Pa。同時豎直方向分別均勻設置2～8組氣缸作用面用于替代整體施壓（水平方向6個氣缸均勻布置）。其中氣缸組數為6組的均勻布置情況如圖14所示。

分別仿真分析計算出整個面在2～8組氣缸均勻布置下的測試結果相對實際結果的準確度，如表5所示。

當玻璃高度為2150 mm時，裝置測試氣缸模擬與整面模擬下的玻璃變形比值如圖15所示。結合表5可以看出，當均布氣缸組數達到6組時，最大變形處的準確度達到并穩定在99.9%以上；但當氣缸組數超過6組時，裝置準確度提升不明顯。

為驗證結果的普遍性，進一步研究了當玻璃高度在1600～2500 mm內變化時，不同組數氣缸作用下與實際情況的比值，如圖16所示。可以看出，當均布氣缸組數達到6組后，風壓測試裝置氣缸輸出結果均達到較高的準確度，且較為穩定，仿真結果穩定可靠。考慮到裝置中氣缸數量越多，雖然會增加裝置準確度，但也使得測試系統越復雜，會增加操作難度，故可確定單面玻璃的氣缸布局為6×6時，仿真準確度達到較優的結果。

3 對整個屏蔽門單元進行分析驗證

為方便分析以及后續實驗操作，以具有最大變形量的固定門（2560 mm×2150 mm）為基準，滑動門（2000 mm×2150 mm）寬度約為固定門的5/6，故滑動門水平方向上的氣缸設置為5個，應急門與固定門寬度一致，設置6個氣缸。豎直方向統一設置6組均勻分布氣缸模擬風壓載荷，另在高度1.1 m處設置1組氣缸模擬人群擠壓載荷。屏蔽門單元氣缸加載位置圖如圖17所示。其中，A組模擬人群擠壓載荷，B組模擬風壓載荷。

分別分析計算出屏蔽門單元整面均勻受壓與屏蔽門系統門單元氣缸加載變形情況，仿真變形圖如圖18、圖19所示。通過仿真分析分別計算門單元整面均勻承壓加載與風壓測試裝置氣缸模擬加載的測試結果，如表6所示。通過對氣缸布局的調整，屏蔽門單元在氣缸加載下的仿真變形量與真實加載情況下的最大變形量的準確度進一步提高，風壓測試裝置加載的準確性提到98.36%以上。

4 結論

通過仿真分析與實驗測量，驗證了風壓測試裝置結果的準確性，然后通過對氣缸布局的調整，使得屏蔽門單元在氣缸加載下的仿真變形量相比真實加載情況下的最大變形量的準確度從93.39%提高到98.36%，提高了風壓測試裝置加載的準確性，為后續進一步優化地鐵屏蔽門風壓結構測試裝置提供了可靠支撐。

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