屏蔽门立柱顶部伸缩装置的模态及强度有限元分析

苏会强 应寅琼 王 彬

（宁波南车时代传感技术有限公司 浙江 宁波 315021）

0 引言

地铁屏蔽门系统是现代化地铁工程的必备设施，它沿地铁站台边缘设置，将列车与地铁站台候车室隔离，提供了更为安全舒适的乘车环境[1]。屏蔽门立柱顶部伸缩装置是屏蔽门主要的承重结构之一，应能承受屏蔽门的垂直载荷以及列车行驶活塞风和环控系统风机风压共同作用形成的正向、负向水平载荷压力、乘客挤压力和震动等外界负荷[2]。

屏蔽门机械结构强度将直接影响整个屏蔽门系统的平稳、可靠运行，而立柱顶部伸缩装置是屏蔽门系统的重要组成部分，所谓立柱顶部伸缩装置，是指地铁屏蔽门系统中承力钢架结构中立柱顶部与土建顶部结构梁预埋件连接结构[3]。因此它的结构是否合理将直接影响着整个屏蔽门系统的平稳运行，是保证屏蔽门系统安全平稳运行的关键。故针对立柱顶部伸缩装置的模态及强度进行分析，可以为立柱顶部伸缩装置的结构优化及动态响应分析提供理论依据，有效的保证屏蔽门系统的安全性。

因此，应用ANSYS有限元分析软件，建立了屏蔽门立柱顶部伸缩装置的有限元模型，利用有限元法对屏蔽门立柱顶部伸缩装置进行了模态分析，求出了立柱顶部伸缩装置的前6阶固有频率，并对相应的振型进行了分析。并分析了极限工况下屏蔽门立柱顶部伸缩装置强度，得到了相应的变形及应力分布情况，根据分析结果对其结构进行优化，提高了屏蔽门系统机械系统的可靠性。

1 立柱顶部伸缩装置机械结构

图1 屏蔽门立柱顶部伸缩装置机械结构

屏蔽门底部通过底座与站台连接，顶部也通过顶部自动伸缩连接结构与站台土建结构连接，使得屏蔽门底部安全系数提高，减少底座疲劳，运动时振幅更小。顶部自动伸缩装置可以自动调整门体与上方土建顶梁之间因地基沉降产生的位移，以适应站台土建结构的变化，变化范围为±30mm。伸缩装置通过顶部连接板用高强度螺栓与站台土建顶梁结构连接，并将屏蔽门系统的部分横向力传到土建顶梁上，对屏蔽门系统起稳定作用。考虑的整体绝缘，故在套管与吊柱之间插入绝缘块，使屏蔽门与土建顶梁结构绝缘。顶部伸缩装置结构简单，安装、维护方便，制造成本低。顶部伸缩装置如图1所示。

2 有限元模型

利用有限元软件ANSYS对立柱顶部伸缩装置进行结构分析，在不影响分析精度的情况下，对立柱顶部伸缩装置模型进行适当的简化，以提高计算速度，有限元分析简化模型如图2a）所示。

图2 立柱顶部伸缩装置有限元分析的简化模型模型

如图2b）所示，划分模型网格时选取四面体10节点实体单元solid45，采用自由网格划分，整个模型共划分为240088个单元，包含1037237个节点。

3 边界条件与载荷

根据实际情况在屏蔽门立柱顶部伸缩装置有限元模型中施加的边界条件主要为固定约束，即为L型连接板与站台的固定，但L型连接板竖直面与站台地面直接接触，所以在本文有限元分析中，简化了螺栓，直接模拟为对L型连接板竖直面添加固定约束，即它们在x、y、z方向的移动以及各个方向转动都被约束。

图3 屏蔽门立柱伸缩装置加载情况

整个屏蔽门机械系统承受外载荷主要有风压、人群挤压载荷、冲击载荷和地震载荷等。而立柱顶部伸缩装置作为主要的部件，在水平方向等主要有为站台侧乘客的挤压力、风压及地震载荷在水平方向的分量。经转化计算后得，单个柱顶部伸缩装置的受力情况为水平切向力为1400N。图3为加载后立柱顶部伸缩装置有限元模型。

4 计算结果分析

4.1 模态分析

对立柱顶部伸缩装置的模态分析，可用于确定立柱顶部伸缩装置结构的振动特性即固有频率及振型，该特性是立柱顶部伸缩装置承受动态载荷结构设计的重要参数，根据计算结果对立柱顶部伸缩装置的动态特性做出评价，是分析立柱顶部伸缩装置动态特性的有效方法。

利用ANSYS-WORKBENCH平台，利用Block Lanczos法对立柱顶部伸缩装置进行模态分析，取前6阶进行研究，其计算结果如表1所示，各阶固有频率所对应的振型如图4所示。

表1 立柱顶部伸缩装置前6阶模态有限元分析结果（单位Hz）

由表1可以看出屏蔽门立柱顶部伸缩装置的前6阶固有频率集中在53.5Hz～551.3Hz之间，随着阶数增大，固有频率值依次增大。屏蔽门立柱顶部伸缩装置的一阶振型为吊柱倾斜；二阶振型为吊柱的弯曲变形；三阶和四阶振型主要为吊柱的倾斜并伴随弯曲变形；五阶和六阶振型主要为吊柱一侧的弯曲变形及套管的变形。由此可知，在频率为339.6Hz和551.3Hz时，吊柱发生倾斜和旋转变形，对连接板处的连接螺栓的危害较大。

图4 立柱顶部伸缩装置前6阶固有频率所对应的振型

4.2 变形及应力分析

采用上述屏蔽门立柱顶部伸缩装置有限元模型、边界条件及载荷，利用ANSYS软件对立柱顶部伸缩装置进行有限元分析计算。图5给出了立柱顶部伸缩装置在上述工况载荷下的变形和等效应力计算结果。

图5 立柱顶部伸缩装置有限元分析计算结果

从等效应力分布云图及结构变形云图上可以看出，应力分布不均匀，大部分都应力在20MPa以下，而大应力集中在套管与站台连接板接触部位，最大值为71.5MPa。最大变形为0.35mm，位于上吊柱底部一侧。

根据强度校核理论，碳钢等塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四强度理论进行校核。通过对屏蔽门立柱顶部伸缩装置进行静态的有限元分析，立柱顶部伸缩装置有足够的强度和刚度，保证屏蔽门系统的平稳运行。材料Q235最大许用应力[σ]=200MPa＞71.5 MPa

在刚度方面，参照《钢结构设计规范》（GB50017-2003），该规范中规定了受弯构件的挠度容许值=l/500，其中l为两支撑点的最小距离，这里取600mm。所以=l/500=600/500=1.2mm＞0.35mm。因此完全符合刚度要求。

5 结论

应用ANSYS有限元软件，建立了屏蔽门立柱顶部伸缩装置的有限元模型，并进行了有限元分析计算，得到了屏蔽门立柱顶部伸缩装置前6阶固有频率及振型，得到了极限工况下的变形及应力分布情况并进行了分析，得出以下结论：

5.1 根据实际情况，简化了立柱顶部伸缩装置模型，建立了适于有限元分析计算且合理的屏蔽门立柱顶部伸缩装置有限元模型，为以后屏蔽门立柱顶部伸缩装置的设计分析工作提供基础模型。

5.2 通过对立柱顶部伸缩装置进行模态响应分析，得到了立柱顶部伸缩装置前6阶固有频率及相应的振型，直观地分析了立柱顶部伸缩装置的动态响应，为以后的立柱顶部伸缩装置的振动特性控制提供理论基础。

5.3 通过对立柱顶部伸缩装置的有限元分析计算，得到了极限工况下立柱顶部伸缩装置的变形云图和等效应力云图，直观地找到了最大变形及最大应力位置，为以后的立柱顶部伸缩装置优化设计提供理论依据。

5.4 根据立柱顶部伸缩装置有限元分析结果，利用强度理论，对立柱顶部伸缩装置进行了强度校核，为以后的结构设计和分析提供了基础数据和参考。

［1］陈韶章.地下铁道站台屏蔽门系统[M].北京：科学出版社，2005：1-13.

［2］李毅.地铁屏蔽门系统构成分析[J].机电设备，2005，24（3）：32-35.

［3］王惠珍.地铁屏蔽门立柱顶部伸缩装置构造[J].现代电子技术，2002，138（7）：71-72.