基于ANSYS的地铁隔断门的分析与优化.doc

摘 要：应用ANSYS软件建立了地铁隔断门门扇面板的结构模型，并对其进行有限元分析，通过面板的应力分析及各点位移的结果确定面板的厚度，对面板的应力和厚度加以优化，从而解决该产品中直接受力件的结构和强度问题。 关键词：地铁隔断门；有限元分析；优化；ANSYS 地下铁道平时是城市的地下交通干线，各个车站、区间隧道相互连通，通车运营；战时可作为城市人民防空的疏散干道和人员掩蔽部。为避免战时一个车站人防功能的丧失而影响其它车站防护功能的发挥，需要在车站之间的隧道中设置能够双向分别承受冲击波载荷的隔断门。我们主要对隔断门门扇面板进行ANSYS的分析与优化。 1 有限元软件ANSYS简介 ANSYS软件是美国一家公司开发的功能强大的有限元计算软件，为实际工程中解决复杂的理论计算提供了非常有用的工具[1]。ANSYS软件基于有限元理论，应用非常广泛，它具有强大的前处理、求解和后处理功能，其内容涵盖结构、热、流体、电磁、声学和爆破等各方面。目前广泛的应用于航天、航空、汽车、船舶、铁路、交通、电子、机械制造、地质矿产、水利水电、石油化工、煤炭核能、生物医学、土木工程、家用产品以及科学研究等领域。与美国加州大学开发SAP系列有限元程序相比，ANSYA提供了更丰富的单元库：前置处理和后处理模块具有更友好的人机交换界面。ANSYS作为广泛应用的优秀的有限元软件，把有限元数值分析技术和CAD、CAE、CAM等图形处理有机的结合在一起，ANSYS除了发展多种与CAD直接转换的接口以外，同时使自己的输出文件格式通用化和标准化。ANSYS自带的编程语言APDL，是一种参数化描述语言，可方便地对结构的单元类型，几何拓扑、材料属性、边界条件及求解类型等信息进行参数化修改。可供用户以ANSYS为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具，用户也可以在CAD中建模，然后通过ANSYS和CAD接口传入模型进行计算，也可以在ANSYS以用户界面利用菜单建模，输入初始数据，进行计算和查看计算结果。 2 地铁隔断门门扇面板的有限元分析 2.1 Ansys9.0的分析步骤 Ansys9.0具有强大的前处理模块，分析计算模块和后处理模块，其中前处理模块包括设置单元类型、设置实常数、定义材料属性、创建模型和划分网格，分析计算模块是创建好的模型进行几何约束、加载荷求解，然后用后处理模块来显示模型的应力、变形等。以下我们就根据有限元的分析步骤完成地铁隔断门面板的变形和应力分析。 2.2 门扇结构及相应尺寸和参数 某地铁防护门门扇采用梁板门结构，根据隧道孔洞形状，门扇呈四边形。门扇总体采用钢结构[2]。梁格选用工字梁，呈井字形分布，内外各焊接一块面板，以承受内外两侧的载荷，同时减轻门的总体重量。制造时可将梁和板分开制作，然后进行装配。门扇总高5260mm，总宽3120mm，门扇内部工字钢为井字分布，X向4根，间距623mm，为主梁；Y向9根，间距526mm，为辅梁。 门扇周边选用槽钢，共四根，形状与公路隧道的孔洞形状相匹配，呈矩形。门扇面板形状也为矩形，但比槽钢尺寸内缩了10mm。根据实际应用情况，门扇的工字钢、槽钢与面板的材料选用16锰钢，相关参数见表1： 门扇总重=工字钢重量+槽钢重量+面板重量+闭锁、复位机构重量，总重约10吨。 2.3 面板的有限元模型建立和分析 (1)面板有限元模型[4] 由于面板被焊接在梁格上，其支承情况实际上为双向连续板，根据研究，面板的中间区格在均布载荷作用下，因其在各支承边上的倾向角都接近于零，为简化计算，故可当作四边固定板计算。考虑到加工方便，各区格面板的厚度选择相等，因此可考虑以单个梁格作为面板的计算模型。单个梁格大小为623mm×526mm，建模时，直接创建一个矩形作为面板的有限元模型。然后在单元类型中选择shell 63，在实常数中输入面板厚度，材料属性中定义材料的弹性模量和泊松比，并保存输入的数据。最后利用Meshtool将单元划分为15×15的网格，如图1所示。 (2)面板有限元模型几何约束 面板的四边都与工字钢固结，则其X,Y,Z方向的移动和转动自由度均被限制。在Solution中，将约束施加在单元的四条边上，并且限制了所有的自由度。 (3)面板有限元模型载荷约束 面板上均布载荷为q=60KN/m2。选择Pressure，将均布载荷施加于面板上。 (4)面板有限元求解 选择Solve求解有限元单元。取厚度分别为15mm，18mm，20mm三种面板模型进行分析计算。求解之后，利用ANSYS的后处理器，显示面板的应力和位移情况。 三种面板应力与位移的分析结