地鐵車輛門扇結(jié)構(gòu)研究及仿真分析

作者/譚璐、蘇會強、鄭華、段東梅，寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司

地鐵車輛門扇結(jié)構(gòu)研究及仿真分析

作者/譚璐、蘇會強、鄭華、段東梅，寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司

以某型地鐵塞拉門為研究對象，主要針對門扇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過ANSYS對門扇進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強度的仿真計算分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)的變形量、可能的危險區(qū)域，從而對車輛門扇的優(yōu)化和設(shè)計提供理論依據(jù)。

地鐵車輛；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元；剛度

引言

地鐵塞拉門[1]是上下車的通道，也影響著車輛的密封性，塞拉門的結(jié)構(gòu)強度、密封性直接關(guān)系到乘客的安全和乘坐舒適性。伴隨著地鐵車輛發(fā)展的高速化和現(xiàn)代化，塞拉門性能要求也逐步提高，如：塞拉門受氣壓影響會產(chǎn)生噪音，需要提高室內(nèi)隔聲性及密封性以滿足乘坐舒適性，因此，塞拉門的性能受到研發(fā)人員的高度重視。車輛拉塞門在動作過程中受壓力作用發(fā)生變形,使密封膠條與密封面之間的初始密封壓緊力發(fā)生變化。門扇的塑性變形如果超過密封膠條的橫向密封行程,在密封面上會形成縫隙，造成密封失效。塞拉門剛度對其密封性起著至關(guān)重要的作用。因此，門扇設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)與材料至關(guān)重要。

1. 門扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計

塞拉門由左、右兩頁門扇組成，主要由門板、玻璃、密封膠條等相關(guān)零部件組成。門扇是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，由門板框架、內(nèi)外蒙皮、鋁蜂窩等組成。門板框架是整體門框結(jié)構(gòu)，由鋁制型材焊接而成，蒙皮和鋁蜂窩通過結(jié)構(gòu)膠粘接至框架上，門板內(nèi)部的鋁蜂窩具有密度低、強度好等性能，可以大幅度降低車門的重量，而鋁蜂窩與蒙皮形成的中空結(jié)構(gòu)可以明顯提高其隔熱、隔音和氣密性。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的塞拉門密度小、結(jié)構(gòu)強度大，因此其等效剛度指標(biāo)與同等材料的鋁型材相比要高出很多。

2. 門扇ANSYS分析

以某型地鐵塞拉門為研究對象，利用ANSYS對門體進(jìn)行仿真計算，其中使用ANSYS /Workbench進(jìn)行整體仿真流程搭建，ANSYS /SpaceClaim進(jìn)行幾何前處理工作，ANSYS/ Mechanical進(jìn)行仿真設(shè)定、計算及后處理等工作。

2.1 模型處理

整體幾何模型較復(fù)雜，小型曲面較多，在不影響計算精度的前提下，盡可能的對幾何模型進(jìn)行合理的簡化和編輯處理，這樣不僅方便后續(xù)生成較高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高求解精度，同時也可以提高仿真求解的效率。幾何模型主要從以下幾點進(jìn)行簡化和編輯：

（1）對于厚度較小的薄壁結(jié)構(gòu)或鈑金件[2]，采用實體單元建模困難且無必要，因此對所有的薄壁部件和鈑金件均進(jìn)行抽取中間面的處理，簡化為面幾何，這樣導(dǎo)入ANSYS Mechanical以后即可設(shè)定為殼單元（指定厚度截面屬性即可）進(jìn)行相應(yīng)的仿真。

（2）對整體幾何中尺寸過小且不處于敏感區(qū)域的部分幾何特征予以刪除，如很小的倒圓角、很小的孔洞、小碎面等。

2.2 材料屬性設(shè)定

表1 材料屬性設(shè)定

2.3 網(wǎng)格劃分

分別對車輛門門扇框架與整體門扇進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，如圖1、圖2所示，采用ANSYS的網(wǎng)格生成器ANSYS Meshing來完成。整個模型主要采用高階的六面體單元（Soild186）和高階的四邊形殼單元(Shell281)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有極少部分區(qū)域由于存在較難復(fù)雜的幾何，以三角形、四面體或楔形單元進(jìn)行劃分，所有這些單元均為高階單元。

ANSYS的網(wǎng)格生成器ANSYS Meshing來完成。整個模型主要采用高階的六面體單元（Soild186）和高階的四邊形殼單元(Shell281)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有極少部分區(qū)域由于存在較難復(fù)雜的幾何，以三角形、四面體或楔形單元進(jìn)行劃分，所有這些單元均為高階單元。

2.4 接觸及連接關(guān)系的設(shè)定

實際零部件之間有采用焊接的方式連接的，也有通過膠粘的方式連接的[4]。因此在有限元模型必須建立相應(yīng)的或等效的連接關(guān)系。門扇中的焊接連接采用綁定約束連接，蒙皮與鋁蜂窩等其他采用不分離約束連接。

圖1 門扇框架網(wǎng)格

圖2 整體門體網(wǎng)格

2.5 載荷及邊界條件設(shè)定

根據(jù)國內(nèi)車廂側(cè)門系統(tǒng)鐵路標(biāo)準(zhǔn)GB/30489中載荷的規(guī)定，從車門內(nèi)側(cè)在距離地板面高度為1300mm處，在門扇整個寬度范圍上，高度為200mm的區(qū)域加載每米1200N的作用力。

2.6 仿真結(jié)果及分析

如圖3、4所示，門扇焊接件在靜載及重力作用下最大變形為6.15mm，最大變形位于門扇后檔中偏上處，滿足變形量不超過8mm的要求，其最大應(yīng)力位于窗框支撐塊與窗框的焊接處，6063—T5狀態(tài)的最大許用應(yīng)力大于170Mpa，應(yīng)力也滿足要求。

在相同載荷的條件下，整體門體由于鋁蜂窩及蒙皮的加強及承載作用，門體整體變形大大降低，最大變形僅為1.65mm（圖5），最大應(yīng)力（圖6）也大大降低。

圖3 門扇變形云圖

圖4 門扇應(yīng)力云圖

圖5 整體門體變形云圖

圖6 整體門體應(yīng)力云圖

3. 結(jié)論及建議

根據(jù)以上分析，該門扇的設(shè)計滿足國內(nèi)車廂側(cè)門系統(tǒng)鐵路標(biāo)準(zhǔn)，基于上述仿真結(jié)果，可以看出，為減少應(yīng)力集中，車輛門窗框支撐塊與窗框的焊接處盡量采用開坡口焊接；針對形變，可以看出后檔型材中部位置形變量最大，可在設(shè)計后檔型材的時候適當(dāng)增加加強筋。通過對某型地鐵車輛塞拉門扇結(jié)構(gòu)的研究以及利用ANSYS進(jìn)行的仿真分析，可以在門扇加工生產(chǎn)前及時發(fā)現(xiàn)問題和不足，方便對零件進(jìn)行改造。節(jié)省了設(shè)計和研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本。

＊ [1]卿光毅．城市軌道交通車輛客室塞拉門調(diào)整概述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2015.27：240—241.

＊ [2]安世亞太(ANSYS—CHINA).ANSYS薄壁結(jié)構(gòu)模型處理技術(shù)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006,(6)

＊ [3]王明強，朱永梅，劉文欣.有限元網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造.2004(1)：22—24.

＊ [4]陳婧.地鐵車輛客室塞拉門運動仿真及安裝工藝分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.