地铁车辆门扇结构研究及仿真分析

作者/谭璐、苏会强、郑华、段东梅，宁波中车时代传感技术有限公司

地铁车辆门扇结构研究及仿真分析

作者/谭璐、苏会强、郑华、段东梅，宁波中车时代传感技术有限公司

以某型地铁塞拉门为研究对象，主要针对门扇的结构进行研究，通过ANSYS对门扇进行结构静强度的仿真计算分析，预测结构的变形量、可能的危险区域，从而对车辆门扇的优化和设计提供理论依据。

地铁车辆；结构设计；有限元；刚度

引言

地铁塞拉门[1]是上下车的通道，也影响着车辆的密封性，塞拉门的结构强度、密封性直接关系到乘客的安全和乘坐舒适性。伴随着地铁车辆发展的高速化和现代化，塞拉门性能要求也逐步提高，如：塞拉门受气压影响会产生噪音，需要提高室内隔声性及密封性以满足乘坐舒适性，因此，塞拉门的性能受到研发人员的高度重视。车辆拉塞门在动作过程中受压力作用发生变形,使密封胶条与密封面之间的初始密封压紧力发生变化。门扇的塑性变形如果超过密封胶条的横向密封行程,在密封面上会形成缝隙，造成密封失效。塞拉门刚度对其密封性起着至关重要的作用。因此，门扇设计采用的结构与材料至关重要。

1. 门扇的结构设计

塞拉门由左、右两页门扇组成，主要由门板、玻璃、密封胶条等相关零部件组成。门扇是一种复合结构，由门板框架、内外蒙皮、铝蜂窝等组成。门板框架是整体门框结构，由铝制型材焊接而成，蒙皮和铝蜂窝通过结构胶粘接至框架上，门板内部的铝蜂窝具有密度低、强度好等性能，可以大幅度降低车门的重量，而铝蜂窝与蒙皮形成的中空结构可以明显提高其隔热、隔音和气密性。根据这种结构生产的塞拉门密度小、结构强度大，因此其等效刚度指标与同等材料的铝型材相比要高出很多。

2. 门扇ANSYS分析

以某型地铁塞拉门为研究对象，利用ANSYS对门体进行仿真计算，其中使用ANSYS /Workbench进行整体仿真流程搭建，ANSYS /SpaceClaim进行几何前处理工作，ANSYS/ Mechanical进行仿真设定、计算及后处理等工作。

2.1 模型处理

整体几何模型较复杂，小型曲面较多，在不影响计算精度的前提下，尽可能的对几何模型进行合理的简化和编辑处理，这样不仅方便后续生成较高质量的网格，提高求解精度，同时也可以提高仿真求解的效率。几何模型主要从以下几点进行简化和编辑：

（1）对于厚度较小的薄壁结构或钣金件[2]，采用实体单元建模困难且无必要，因此对所有的薄壁部件和钣金件均进行抽取中间面的处理，简化为面几何，这样导入ANSYS Mechanical以后即可设定为壳单元（指定厚度截面属性即可）进行相应的仿真。

（2）对整体几何中尺寸过小且不处于敏感区域的部分几何特征予以删除，如很小的倒圆角、很小的孔洞、小碎面等。

2.2 材料属性设定

表1 材料属性设定

2.3 网格划分

分别对车辆门门扇框架与整体门扇进行网格划分[3]，如图1、图2所示，采用ANSYS的网格生成器ANSYS Meshing来完成。整个模型主要采用高阶的六面体单元（Soild186）和高阶的四边形壳单元(Shell281)进行网格划分。有极少部分区域由于存在较难复杂的几何，以三角形、四面体或楔形单元进行划分，所有这些单元均为高阶单元。

ANSYS的网格生成器ANSYS Meshing来完成。整个模型主要采用高阶的六面体单元（Soild186）和高阶的四边形壳单元(Shell281)进行网格划分。有极少部分区域由于存在较难复杂的几何，以三角形、四面体或楔形单元进行划分，所有这些单元均为高阶单元。

2.4 接触及连接关系的设定

实际零部件之间有采用焊接的方式连接的，也有通过胶粘的方式连接的[4]。因此在有限元模型必须建立相应的或等效的连接关系。门扇中的焊接连接采用绑定约束连接，蒙皮与铝蜂窝等其他采用不分离约束连接。

图1 门扇框架网格

图2 整体门体网格

2.5 载荷及边界条件设定

根据国内车厢侧门系统铁路标准GB/30489中载荷的规定，从车门内侧在距离地板面高度为1300mm处，在门扇整个宽度范围上，高度为200mm的区域加载每米1200N的作用力。

2.6 仿真结果及分析

如图3、4所示，门扇焊接件在静载及重力作用下最大变形为6.15mm，最大变形位于门扇后档中偏上处，满足变形量不超过8mm的要求，其最大应力位于窗框支撑块与窗框的焊接处，6063—T5状态的最大许用应力大于170Mpa，应力也满足要求。

在相同载荷的条件下，整体门体由于铝蜂窝及蒙皮的加强及承载作用，门体整体变形大大降低，最大变形仅为1.65mm（图5），最大应力（图6）也大大降低。

图3 门扇变形云图

图4 门扇应力云图

图5 整体门体变形云图

图6 整体门体应力云图

3. 结论及建议

根据以上分析，该门扇的设计满足国内车厢侧门系统铁路标准，基于上述仿真结果，可以看出，为减少应力集中，车辆门窗框支撑块与窗框的焊接处尽量采用开坡口焊接；针对形变，可以看出后档型材中部位置形变量最大，可在设计后档型材的时候适当增加加强筋。通过对某型地铁车辆塞拉门扇结构的研究以及利用ANSYS进行的仿真分析，可以在门扇加工生产前及时发现问题和不足，方便对零件进行改造。节省了设计和研发周期，节约了研发成本。

＊ [1]卿光毅．城市轨道交通车辆客室塞拉门调整概述[J].科技创新与应用.2015.27：240—241.

＊ [2]安世亚太(ANSYS—CHINA).ANSYS薄壁结构模型处理技术[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2006,(6)

＊ [3]王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造.2004(1)：22—24.

＊ [4]陈婧.地铁车辆客室塞拉门运动仿真及安装工艺分析[D].成都：西南交通大学，2012.