孫秀芹
(南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院,江蘇 南京 210000)
站臺門系統(tǒng)是設(shè)置在地鐵軌道層和候車區(qū)完成隔離空間,具有改善運(yùn)營的候車環(huán)境及安全性等優(yōu)點。國內(nèi)對站臺門進(jìn)行的相關(guān)研究比較少,而更多采用的是采購?fù)鈬暮诵牟考M(jìn)行組裝,目前站臺門的設(shè)計主要由Westinghouse、Faiveley、Nabco、KABA等幾家公司承擔(dān)。僅有對站臺門的開發(fā)程度進(jìn)行深入,才是站臺門系統(tǒng)國產(chǎn)化率加大和降低成本的唯一途徑,這樣才會使其擁有更廣泛的使用前景[1]。
科技的進(jìn)步帶動了計算力學(xué)及技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,其中有限元法在工程實踐中應(yīng)用較為普遍,而該文對站臺門的固定門、滑動門、關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)的載荷進(jìn)行模擬分析,并與實際工況進(jìn)行比較。
該文是基于SolidWorks及Ansys進(jìn)行分析模擬的,其具體過程如下。
1.1.1 建模數(shù)據(jù)
一對滑動門2 607 mm,一對應(yīng)急門1 973 mm,一扇固定門2 607 mm,高為2 000 mm,門框高2 600 mm,滑動門玻璃厚度為 8 mm,固定門與應(yīng)急門玻璃厚度均為10 mm。門檻距地面的高度為300 mm,頂箱橫截面的寬度尺寸定為350 mm,頂箱蓋板的厚度不小于1.5 mm。門框邊及對角線長度公差≤±1 mm,平面度公差≤1.5 mm。其中,各個變量分別有如下取值范圍的要求。
立柱其中寬度a2,高度a1,壁厚a3,見表1。
橫梁其中寬度b2,高度b1,腹板厚b3,翼板厚b4,見表2。門框其中寬度j2,高度j1,壁厚j3,見表3。
性能指標(biāo):按國家GB12190-90GJBz-20219-94C級標(biāo)準(zhǔn)測試。
1.1.2 材料參數(shù)
材料具體參數(shù)見表4。
1.1.3 載荷設(shè)置
站臺門承受外荷載主要有4個。1)風(fēng)壓。風(fēng)壓是根據(jù)工程經(jīng)驗公司進(jìn)行預(yù)估。該次使用的是Westinghouse數(shù)據(jù)即靜止荷載為1 500 N/ m。風(fēng)壓簡化為作用于玻璃板上的均勻壓力。風(fēng)壓被看作常值載荷,施加在玻璃、橫梁正向表面上。2)擠壓荷載。擠壓荷載是指乘客在候車時可能會倚在站臺門上, 依據(jù)地鐵法規(guī)取距離1.1 m處為1 500 N/m,乘客擠壓力被看作常量,擠壓荷載簡化為節(jié)點力。3)沖擊荷載:沖擊荷載是考慮到施工過程及人員擁擠可能造成的沖擊,根據(jù)分析將沖擊力看成是集中力:載荷看為振幅+2.8 kN及作用時間0.08 s的集中動載荷的半正弦波140 ms,或突然至1.5 kN在0.2 s將其直線為0(取不利的極限情況,作用在距離地面1.125 m 高處,沖擊荷載作用區(qū)域是0.1m×0.1m)。設(shè)定乘客沖擊力的位置在固定門玻璃的中心。4)地震荷載:據(jù)有關(guān)規(guī)范計算得73.5 N/m(假定地震為7級),可以忽略不計。
表1 立柱各參數(shù)要求
表2 橫梁槽鋼各參數(shù)要求
表3 門框各參數(shù)要求
表4 材料具體參數(shù)
1.1.4 邊界約束
站臺門機(jī)械部分系統(tǒng)是剛性設(shè)置在站臺地面上,在模型的上下端選取固定約束邊界條件輸入,因為頂部結(jié)構(gòu)件通過螺栓與立柱相連;同時,在模型的兩側(cè)選取對稱的邊界條件用來模擬沿軌道方向連續(xù)的站臺門機(jī)械系統(tǒng);依據(jù)實際工況在站臺門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型以固定約束為主要邊界條件[2];支撐及門框當(dāng)中看作是完全約束選取固定方式進(jìn)行連接;而滑動門的約束設(shè)置為5個自由度,同時2個滑動門在X方向自由。
該文的研究對象是站臺門的一個單元。此次模擬分析以市場應(yīng)用較多的一對應(yīng)急門、一對滑動門、一扇固定門為對象。該次站臺門模擬選取門體及門框材質(zhì)分別是鋼化玻璃及鋁合金,按照實際情況簡化成殼及塊體等構(gòu)件模擬。簡化的準(zhǔn)則是在不失去構(gòu)件力學(xué)特點的情況下簡化計算模型并增加計算效率。
站臺門模型的計算成本以及精度跟網(wǎng)格劃分的密度直接相關(guān),因此此次網(wǎng)格劃分的原則是轉(zhuǎn)化緩慢及應(yīng)力小的部分可以用粗一些網(wǎng)格;坡度及應(yīng)力大的部分可以采取精細(xì)網(wǎng)格;而兩者之中相交的部分采取過渡單元連接。研判站臺門的模型,單元基本尺寸為30 mm,單元數(shù)近10萬個,可以將站臺門零部件分成3類。1)殼單元(shell181)分析:橫梁、頂部面板以及定位槽板等。2)單元(solid45)分析:頂箱型材形狀復(fù)雜體。3)梁單元(beam4)分析:連接構(gòu)建,簡化為一種連接關(guān)系即可。網(wǎng)格劃分如圖1所示。
表5分別為在不同載荷條件下站臺門門框框體及玻璃Y方向的最大變形量匯總(因Y方向為載荷方向,而X、Z方向相對于Y方向的變形小且不涉及與設(shè)備限界要求等安全相關(guān)的問題,所以不一一列出)。
筆者利用有限元法計算了站臺門系統(tǒng)在不同的載荷下的變形,做出了如下相關(guān)分析。1)從圖2~圖5的視圖得出:站臺門變形量在固定門玻璃及門框、滑動門玻璃及門框的位置相對較大。2)根據(jù)相關(guān)要求:框架、門體總變形量一般在10 mm~15 mm的一個數(shù)值。據(jù)圖在所有載荷條件下,玻璃最大變形略小于10 mm,是滿足最高安全性要求,并有一定的富余;框架在復(fù)合載荷條件1+2下為最大變形9.61 mm,同時玻璃在固定門中間位置發(fā)生最大變形量為8.55 mm。3)固定門的玻璃中間是整體結(jié)構(gòu)變形量極限值出現(xiàn)的點,由于固定門靠近乘客側(cè)允許變形量不能侵入相關(guān)限界,極有可能侵入限界的地方應(yīng)該在地鐵動態(tài)包絡(luò)線的滑動門門框處的變形,以后設(shè)計安裝施工過程中需重點注意滑動門在門框處的結(jié)構(gòu)變形。
圖1 站臺門俯視圖單元網(wǎng)格劃分
在上述分析中,對荷載組成的不同工況計算站臺門結(jié)構(gòu)變形,由分析可知地鐵站臺門系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及零部件的變形量均滿足要求。最接近地鐵動態(tài)包絡(luò)線的滑動門門框處位置是全面滿足條件。在正常實踐要求下,地鐵站臺門的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以保證安全應(yīng)用。模擬軟件的通病是各種邊界條件的簡化及計算精度的不同會導(dǎo)致模型的偏差,所以分析得出的結(jié)論一般作為參照只有經(jīng)過大量的實踐驗證才能得以應(yīng)用。即使是這樣,從分析中也可以知道計算機(jī)輔助工程的模擬研究在站臺門制造中對提升質(zhì)量以及縮小研發(fā)周期和降低成本等需求中起到了非常重要的作用。
圖2 施加正風(fēng)壓載荷形成站臺門Y方向框體變形
圖4 施加復(fù)合載荷形成站臺門Y方向框體變形
圖3 施加沖擊載荷形成站臺門Y方向玻璃門變形
圖5 施加復(fù)合載荷形成站臺門Y方向玻璃門變形
表5 最大變形量