城市轨道列车车门结构瞬态响应研究

摘 要：针对城市轨道列车的实际受力环境，运用有限元分析方法对轨道列车车门门体部分进行了瞬态响应研究。对结构的模态、阻尼特性进行了深入研究，并以此为基础对整体车门结构的动态响应进行了分析，分析表明结构的动态应力和位移满足强度要求和使用条件，为结构优化设计提供了重要依据。关键词：城市轨道 列车车门 数值分析等效模型 动态分析Abstract：In allusion to the real pressure of environment of the urban track train，it uses analytical method of finite element to respond and study the transient state to every parts of track train car. It carries on further investigation on the mode of the structure，damping characteristic. based on this it analyzes the dynamic response of the whole door structure. The analysis indicates dynamic stress and displacement of the structure meet the intensity requirement and service condition, which offered the important basis for structural optimization design。Key words：Urban track; Train door; Analyze the equivalent model in number value; Dynamic analysis引言　　随着我国城市化速度加快，城市交通便捷性和快速性成为衡量一个城市发展的重要指标。世界上大多数发达国家城市在便捷交通方面具有很大的优势，尤其是在城市轨道交通方面，各城市都很重视发展自己特色的交通体系。　　由于轨道车辆弯门是安装在轨道列车上的，所承受的环境很恶劣，车门除了满足乘客上下通道这一基本功能外，还应该尽量提高车辆的密封性能。因此从结构方面考虑就要求车门结构满足以下要求：可靠、使用寿命长、密封性能好。其中可靠性指的是门板的强度，而密封性由密封胶条来保证，过大的车门变形会导致胶条失效。轨道车辆弯门中门板采用的是层合板结构，主要是由内外蒙板和铝蜂窝组成，内外蒙板是特种合金铝板，铝蜂窝顾名思义是铝材料。　　本文针对城市轨道列车的实际受力环境，运用了有限元分析对轨道列车门体部分进行了动态响应研究。对结构的模态、振动特性进行了深入研究，并以此为基础对整体门结构的动态响应进行了分析。1有限元分析理论基础及模型建立　　1.1 有限元结构简化分析　　本文所指的门是某公司轨道车辆门系列产品中的一种，其主要结构由门扇体、承载部件、上下滑道、内外操纵装置、电气系统、翻转脚蹬等几大部件组成，如图1左图所示，其中每一种部件又包含若干小的部件或零件。它是一个集机、电、气于一体的机电产品，产品包含的零件数量众多，内部的约束关系繁复，而且技术含量高。门板采用的是特种合金铝板及铝蜂窝复合结构，其气动驱动机构采用先进的无杆气缸，运动平稳、可靠，如图1中图所示。[align=center]图1 轨道门结构及其蜂窝芯层分布[/align]　　本文中门板采用的是层合板结构，从复合材料结构力学的角度考虑属于一种各向异性材料，破坏机理复杂，同时铝蜂窝复合结构部分（图1右图中a、b、c剖面部分所示）在数值模拟方面有较大难度。由于分析对象的结构、边界条件和载荷复杂，必须建立正确的分析模型，然后在有限元分析平台下进行数值模拟。通用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元程序中没有蜂窝结构的单元，使得计算只能采取特殊的方式进行，例如采用三维有限元方法或层板单元进行分析。鉴于模型的复杂性，本文拟采用层板单元进行分析，这涉及到复合材料层合板材料的等效处理的问题，以下就等效处理的方法理论加以简要介绍。　　1.2复合材料层合板材料的等效处理　　对于复合材料的建模，本文采用三明治夹心板理论。在简化时假定芯层能抵抗横向剪切变形并且具有一定的面内刚度，上下蒙皮层服从Kirchhoff假设，忽略其抵抗横向剪应力的能力。在以上假设条件下，蜂窝芯层可以被等效为一均质的厚度不变的正交异性层。正六边形蜂窝的等效弹性参数表示如下[2]：　　其中E、G为夹芯材料的工程常数l、t分别为蜂窝胞元壁板的长度和厚度;γ为修正系数，取决于工艺，一般取0.4～0.6，理论值取1.0。2城市轨道车门结构动态特性研究　　2.1车门结构模态分析　　进行瞬态动力学分析首先要对车门进行模态分析，了解结构的自振频率及各个频率下结构的振型。根据计算模型，应用子空间迭代法进行模态求解得到轨道车门振动模态频率和振型。如图2所示。[align=center]图2 城市轨道车门前四阶模态[/align]　　表1 车门结构模态分析结果：　　2.2 车门结构瞬态冲击压力响应分析　　为了检测设计好的门体在受到瞬态压力时能否符合设计要求，即振动幅度是否符合要求以及是否会共振，就要对车门中的门扇体进行瞬态动力学分析。轨道车辆门在高速行驶过程中，周围的空气产生强烈的变化，当两辆相对行驶的列车交会时，交会瞬间这一变化会更大，对整体车辆的表面形成约瞬态压力冲击，在约几十毫秒之间相继出现正、负压力峰值，这一瞬态压力冲击波对车体钢结构和侧门会带来不利影响。根据实际行驶的情况设定瞬态压力载荷如图3所示[align=center]图3 瞬态载荷加载变化曲线[/align]　　图4 左图是最大应力点的位移响应图，可以看到，门体在0.1ms时位移达到最大，位移最大值约为0.3mm，完全在轨道车辆门变形允许范围之内。图3右图是最大应力点的应力响应图，可以看到在0.1ms时应力达到最大，接近4.1MPa，因而不会对整个轨道车辆门结构的合理性造成影响。[align=center]图4 轨道车辆门体位移和应力瞬态响应曲线[/align]3总结　　在现代交通体系中，车门的结构安全性直接关系到乘客的安全，安全可靠，具有足够的刚度，不易变形，行车时不振响是车门结构设计需要考虑的关键环节。本文运用了有限元分析方法对轨道列车门体部分进行瞬态响应研究，对结构的模态、振动特性进行了深入研究，并以此为基础对整体门结构的动态响应进行了分析，分析所得出的结果是否符合实际情况，还需要一定的实验验证方法。如果问题存在理论解，那么将二者作比较就可以得出分析方案的正确性，但由于有限元分析的对象结构、边界条件和受力情况非常复杂，往往并不存在理论解，只能采用实验方法进行验证。本文所作的分析对车门设计是具有一定的理论参考价值的。　　本文的创新点是：作为我国城市化的重要标志，轨道车辆弯门的应用非常广泛，但是国内还没有针对具有蜂窝材料的轨道车辆弯门做整体动态分析的先例。本文结合实际，将蜂窝材料和门板经过复合材料层合板材料等效处理，建立FEA模型进行动态分析，得出相关结论，为此类轨道车辆弯门的具体应用奠定基础，也为我国城市轨道交通的自主研发、参与国外竞争提供参考资料。[参考文献]　　[1] 陈国华. 基于有限元的汽车车门静态强度刚度计算与分析[J]. 机械制造与研究，2006,35（6）:21～24　　[2] 徐胜今. 正交异性蜂窝夹层板动、静力学问题的等效分析方法[J]. 复合材料学报，2000,17（3）:92～95　　[3] 解跃肖. 车门有限元分析中工况的确定及数值分析结果评价[J]. 机械设计与制造，2002.10（5）:62～63　　[4] 何光石，庚辰. M E M S弹簧特性的有限元分析[J]. 微计算机信息，2006，22：158-160　　[5] 张远波熊，蔡华.CPU散热片结构优化设计[J]. 微计算机信息，2006，22：262-263