摘 要：針對城市軌道列車的實際受力環(huán)境，運用有限元分析方法對軌道列車車門門體部分進行了瞬態(tài)響應(yīng)研究。對結(jié)構(gòu)的模態(tài)、阻尼特性進行了深入研究，并以此為基礎(chǔ)對整體車門結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行了分析，分析表明結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力和位移滿足強度要求和使用條件，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)。 關(guān)鍵詞：城市軌道 列車車門 數(shù)值分析等效模型 動態(tài)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 　　隨著我國城市化速度加快，城市交通便捷性和快速性成為衡量一個城市發(fā)展的重要指標(biāo)。世界上大多數(shù)發(fā)達國家城市在便捷交通方面具有很大的優(yōu)勢，尤其是在城市軌道交通方面，各城市都很重視發(fā)展自己特色的交通體系。 　　由于軌道車輛彎門是安裝在軌道列車上的，所承受的環(huán)境很惡劣，車門除了滿足乘客上下通道這一基本功能外，還應(yīng)該盡量提高車輛的密封性能。因此從結(jié)構(gòu)方面考慮就要求車門結(jié)構(gòu)滿足以下要求：可靠、使用壽命長、密封性能好。其中可靠性指的是門板的強度，而密封性由密封膠條來保證，過大的車門變形會導(dǎo)致膠條失效。軌道車輛彎門中門板采用的是層合板結(jié)構(gòu)，主要是由內(nèi)外蒙板和鋁蜂窩組成，內(nèi)外蒙板是特種合金鋁板，鋁蜂窩顧名思義是鋁材料。 　　本文針對城市軌道列車的實際受力環(huán)境，運用了有限元分析對軌道列車門體部分進行了動態(tài)響應(yīng)研究。對結(jié)構(gòu)的模態(tài)、振動特性進行了深入研究，并以此為基礎(chǔ)對整體門結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行了分析。 1有限元分析理論基礎(chǔ)及模型建立 　　1.1 有限元結(jié)構(gòu)簡化分析 　　本文所指的門是某公司軌道車輛門系列產(chǎn)品中的一種，其主要結(jié)構(gòu)由門扇體、承載部件、上下滑道、內(nèi)外操縱裝置、電氣系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)腳蹬等幾大部件組成，如圖1左圖所示，其中每一種部件又包含若干小的部件或零件。它是一個集機、電、氣于一體的機電產(chǎn)品，產(chǎn)品包含的零件數(shù)量眾多，內(nèi)部的約束關(guān)系繁復(fù)，而且技術(shù)含量高。門板采用的是特種合金鋁板及鋁蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)，其氣動驅(qū)動機構(gòu)采用先進的無桿氣缸，運動平穩(wěn)、可靠，如圖1中圖所示。 [align=center] 圖1 軌道門結(jié)構(gòu)及其蜂窩芯層分布[/align] 　　本文中門板采用的是層合板結(jié)構(gòu)，從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度考慮屬于一種各向異性材料，破壞機理復(fù)雜，同時鋁蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)部分（圖1右圖中a、b、c剖面部分所示）在數(shù)值模擬方面有較大難度。由于分析對象的結(jié)構(gòu)、邊界條件和載荷復(fù)雜，必須建立正確的分析模型，然后在有限元分析平臺下進行數(shù)值模擬。通用MSC.PATRAN/NASTRAN有限元程序中沒有蜂窩結(jié)構(gòu)的單元，使得計算只能采取特殊的方式進行，例如采用三維有限元方法或?qū)影鍐卧M行分析。鑒于模型的復(fù)雜性，本文擬采用層板單元進行分析，這涉及到復(fù)合材料層合板材料的等效處理的問題，以下就等效處理的方法理論加以簡要介紹。 　　1.2復(fù)合材料層合板材料的等效處理 　　對于復(fù)合材料的建模，本文采用三明治夾心板理論。在簡化時假定芯層能抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內(nèi)剛度，上下蒙皮層服從Kirchhoff假設(shè)，忽略其抵抗橫向剪應(yīng)力的能力。在以上假設(shè)條件下，蜂窩芯層可以被等效為一均質(zhì)的厚度不變的正交異性層。正六邊形蜂窩的等效彈性參數(shù)表示如下[2]： 　　其中E、G為夾芯材料的工程常數(shù)l、t分別為蜂窩胞元壁板的長度和厚度;γ為修正系數(shù)，取決于工藝，一般取0.4～0.6，理論值取1.0。 2城市軌道車門結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究 　　2.1車門結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 　　進行瞬態(tài)動力學(xué)分析首先要對車門進行模態(tài)分析，了解結(jié)構(gòu)的自振頻率及各個頻率下結(jié)構(gòu)的振型。根據(jù)計算模型，應(yīng)用子空間迭代法進行模態(tài)求解得到軌道車門振動模態(tài)頻率和振型。如圖2所示。 [align=center] 圖2 城市軌道車門前四階模態(tài)[/align] 　　表1 車門結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果： 　　2.2 車門結(jié)構(gòu)瞬態(tài)沖擊壓力響應(yīng)分析 　　為了檢測設(shè)計好的門體在受到瞬態(tài)壓力時能否符合設(shè)計要求，即振動幅度是否符合要求以及是否會共振，就要對車門中的門扇體進行瞬態(tài)動力學(xué)分析。軌道車輛門在高速行駛過程中，周圍的空氣產(chǎn)生強烈的變化，當(dāng)兩輛相對行駛的列車交會時，交會瞬間這一變化會更大，對整體車輛的表面形成約瞬態(tài)壓力沖擊，在約幾十毫秒之間相繼出現(xiàn)正、負壓力峰值，這一瞬態(tài)壓力沖擊波對車體鋼結(jié)構(gòu)和側(cè)門會帶來不利影響。根據(jù)實際行駛的情況設(shè)定瞬態(tài)壓力載荷如圖3所示 [align=center] 圖3 瞬態(tài)載荷加載變化曲線[/align] 　　圖4 左圖是最大應(yīng)力點的位移響應(yīng)圖，可以看到，門體在0.1ms時位移達到最大，位移最大值約為0.3mm，完全在軌道車輛門變形允許范圍之內(nèi)。圖3右圖是最大應(yīng)力點的應(yīng)力響應(yīng)圖，可以看到在0.1ms時應(yīng)力達到最大，接近4.1MPa，因而不會對整個軌道車輛門結(jié)構(gòu)的合理性造成影響。 [align=center] 圖4 軌道車輛門體位移和應(yīng)力瞬態(tài)響應(yīng)曲線[/align] 3總結(jié) 　　在現(xiàn)代交通體系中，車門的結(jié)構(gòu)安全性直接關(guān)系到乘客的安全，安全可靠，具有足夠的剛度，不易變形，行車時不振響是車門結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文運用了有限元分析方法對軌道列車門體部分進行瞬態(tài)響應(yīng)研究，對結(jié)構(gòu)的模態(tài)、振動特性進行了深入研究，并以此為基礎(chǔ)對整體門結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)進行了分析，分析所得出的結(jié)果是否符合實際情況，還需要一定的實驗驗證方法。如果問題存在理論解，那么將二者作比較就可以得出分析方案的正確性，但由于有限元分析的對象結(jié)構(gòu)、邊界條件和受力情況非常復(fù)雜，往往并不存在理論解，只能采用實驗方法進行驗證。本文所作的分析對車門設(shè)計是具有一定的理論參考價值的。 　　本文的創(chuàng)新點是：作為我國城市化的重要標(biāo)志，軌道車輛彎門的應(yīng)用非常廣泛，但是國內(nèi)還沒有針對具有蜂窩材料的軌道車輛彎門做整體動態(tài)分析的先例。本文結(jié)合實際，將蜂窩材料和門板經(jīng)過復(fù)合材料層合板材料等效處理，建立FEA模型進行動態(tài)分析，得出相關(guān)結(jié)論，為此類軌道車輛彎門的具體應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，也為我國城市軌道交通的自主研發(fā)、參與國外競爭提供參考資料。 [參考文獻] 　　[1] 陳國華. 基于有限元的汽車車門靜態(tài)強度剛度計算與分析[J]. 機械制造與研究，2006,35（6）:21～24 　　[2] 徐勝今. 正交異性蜂窩夾層板動、靜力學(xué)問題的等效分析方法[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2000,17（3）:92～95 　　[3] 解躍肖. 車門有限元分析中工況的確定及數(shù)值分析結(jié)果評價[J]. 機械設(shè)計與制造，2002.10（5）:62～63 　　[4] 何光石，庚辰. M E M S彈簧特性的有限元分析[J]. 微計算機信息，2006，22：158-160 　　[5] 張遠波熊，蔡華.CPU散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 微計算機信息，2006，22：262-263