序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]一篇城際鐵路風(fēng)致效應(yīng)仿真與試驗研究范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

1引言：

站臺門系統(tǒng)作為保障旅客安全出行的關(guān)鍵設(shè)施，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多條城際鐵路中，在城際鐵路的安全運營中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而站臺門自身結(jié)構(gòu)的安全性也受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。為規(guī)范和指引行業(yè)發(fā)展，國家鐵路局已于2020年12月正式頒布行業(yè)標準TB/T3559-2020《城際鐵路站臺門系統(tǒng)》，該標準對城際鐵路站臺門機械性能做出明確規(guī)定：門體結(jié)構(gòu)最大載荷下的彈性變摘要：針對城際鐵路列車高速通過地下車站時，站臺門在列車氣動載荷的作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，且難以在運營線路上進行實時監(jiān)測的問題，文章提出一種將計算流體力學(xué)、有限元分析和線路試驗相結(jié)合的分析方法。該方法采用流體力學(xué)仿真技術(shù)計算出城際鐵路列車過站風(fēng)壓，并通過模擬列車過站時的氣動載荷，對站臺門結(jié)構(gòu)變形開展有限元分析，最后在具備列車160km/h高速過站工況的線路上進行試驗驗證。將試驗與仿真數(shù)據(jù)進行對比可得，有限元分析和線路試驗兩者得出的應(yīng)力變化趨勢基本一致，且最大的標準差不超過0.43，從而驗證城際鐵路地下站站臺門有限元模型加載方法的可行性，為進一步研究站臺門在城際鐵路以及高速鐵路中的應(yīng)用提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：城際鐵路列車；站臺門；氣動載荷；有限元分析；建模仿真；線路試驗中圖分類號：U231形量不應(yīng)大于20mm。作為典型的機電一體化設(shè)備，站臺門系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)共同構(gòu)成，其機械結(jié)構(gòu)的強度會受到多種因素影響，其中最重要的當屬列車風(fēng)致效應(yīng)。由于列車長期高速通過站臺，導(dǎo)致站臺門的結(jié)構(gòu)強度會逐漸減弱，當站臺門結(jié)構(gòu)強度減弱到一定程度時會對系統(tǒng)安全造成嚴重影響，但受限于目前的行業(yè)發(fā)展水平，尚無法在運行過程中對站臺門結(jié)構(gòu)形變進行長期監(jiān)測，再加之諸多不確定的外界因素，如何確定站臺門結(jié)構(gòu)性能和安全性已是目前亟待解決的問題。有限元分析是近幾年迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，已廣泛應(yīng)用于材料加工、機械制造、土木建筑等方面?；谟邢拊治鏊惴ň幹频能浖?a href="http://www.suchujt.cn/fanwen/36976.html" target="_blank">仿真計算機械、氣動、液壓、電磁等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。目前，采用有限元法分析工程問題的重點和難點并不在于方法本身，而在于如何根據(jù)所分析問題的特點合理選擇計算模型和參數(shù)，并對計算結(jié)果進行判斷分析。本文針對國內(nèi)城際鐵路地下站站臺門系統(tǒng)受列車高速通過時風(fēng)載荷大的特點，提出一種用于城際鐵路地下站站臺門的有限元載荷分析方法。該方法采用前期仿真計算、后期試驗驗證的方式，將試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進行對比，通過比對結(jié)果對所采用方法的有效性進行驗證，同時也為城際鐵路站臺門設(shè)計方案提供參考和建議。

2仿真分析

2.1仿真分析條件

城際鐵路地下線路往往采用隧道型式進行建設(shè)，建成后的地下車站在加裝站臺門時，往往采用全封閉型站臺門，將站臺候車區(qū)和軌行區(qū)完全隔離，在保障旅客候車安全的同時，降低列車風(fēng)壓和氣動噪聲對候車乘客的影響，提升出行體驗。相較于非完全封閉的工況，列車在通過全封閉型站臺門時產(chǎn)生的風(fēng)致效應(yīng)更大，對該工況下的相關(guān)情況展開研究更具實際意義。本文中仿真工況根據(jù)線路實際情況設(shè)定，以復(fù)興號某型列車160km/h速度通過裝有全高式站臺門的地下側(cè)式站臺作為仿真計算條件，進行相對應(yīng)的氣動效應(yīng)仿真及站臺門結(jié)構(gòu)仿真計算。

2.2站臺門有限元分析

建立站臺門機械結(jié)構(gòu)的3D模型并對其進行網(wǎng)格劃分，是對站臺門進行有限元分析的基礎(chǔ)。本文采用PATRAN進行站臺門有限元建模，該軟件是目前世界上使用最廣泛的有限元分析前/后處理軟件，能夠提供非常豐富的實體模型、網(wǎng)格劃分、分析設(shè)置和后處理，恰好適用于對站臺門進行有限元建模和分析。本實驗所構(gòu)建模型由1組滑動門、2扇固定門、1組應(yīng)急門以及配套的立柱和門機梁等部件構(gòu)成，其中鋼結(jié)構(gòu)采用Q235材料、門框采用304L、門體采用鋼化玻璃，各材料的力學(xué)性能如表1所示。

2.3理論分析與數(shù)據(jù)計算

當運營線路存在列車高速過站工況時，列車高速運行時產(chǎn)生的氣流壓力對列車行駛安全及站臺周圍環(huán)境造成的影響極其嚴重，這也是城際鐵路車站在加裝站臺門時，其設(shè)計過程所必須考慮的關(guān)鍵問題。當列車高速駛?cè)胲囌緯r，其周圍流場邊界會產(chǎn)生突變，類似活塞效應(yīng)的氣動現(xiàn)象會出現(xiàn)在列車和車站頂棚之間。本文構(gòu)建對應(yīng)的理論模型，并對不同速度列車過站情況下產(chǎn)生的風(fēng)壓進行計算。根據(jù)站臺門門體結(jié)構(gòu)特點，施加相應(yīng)約束后，通過有限元分析方法對門體在列車風(fēng)壓下的變形情況進行研究。

2.3.1理論分析

城際鐵路中列車的運行速度通常在150～220km/h當前研究的車站站臺為地下車站，且相對應(yīng)的馬赫數(shù)滿足理想空氣的要求。經(jīng)研究分析，在大多數(shù)情況下列車附近的空氣處于完全的湍流狀態(tài)，所以本文選用湍流模型進行列車周圍空氣流動的數(shù)值模擬。本試驗采用標準k-ε湍流模型，其表達型式如下：

2.3.2數(shù)據(jù)計算

本文采用三維數(shù)字建模軟件建立列車和車站模型。由于列車外形極其復(fù)雜，若要求所建模型對列車實現(xiàn)1:1完全復(fù)刻，既需耗費大量時間和人力，又對仿真設(shè)備的計算能力提出極高要求，故在建模過程中對列車外形結(jié)構(gòu)進行一定程度的簡化，在模型能夠反應(yīng)列車空氣動力學(xué)特征的前提下，精簡建模工作量，提高計算分析效率。采用有限元計算軟件ANSYS中的網(wǎng)格劃分模塊（ICEM）對管道和列車表面進行網(wǎng)格劃分時,為兼顧仿真精度和仿真效率，經(jīng)研究將網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)定為500mm，最小尺寸設(shè)定為100mm，將網(wǎng)格總數(shù)控制在2×106～5×106個之間。采用有限元軟件ANSYS中Fluent（流體計算模塊）求解非定常不可壓縮流動RANS和k-ε兩方程湍流模型，近壁區(qū)域采用標準壁面函數(shù)法，對過站列車風(fēng)進行數(shù)值模擬。設(shè)定時間步長為0.005s，根據(jù)不同運動速度選擇相應(yīng)的迭代步數(shù)，每個時間步長最大迭代計算步數(shù)為20步，模擬列車從站臺一端出發(fā)到通過整個站臺的過程，仿真計算設(shè)置如圖1所示。在完成上述模型和設(shè)定后，需要對列車高速過站時產(chǎn)生的風(fēng)壓進行仿真計算，本文選用有限元軟件ANSYS中流體計算模塊（Fluent）進行該項工作。仿真計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在阻塞比不變的前提下，列車運行至車站入口時對站臺門施加正向風(fēng)壓，其峰值為921Pa；在列車駛出車站時，產(chǎn)生負向風(fēng)壓，峰值為-982Pa。

2.4站臺門結(jié)構(gòu)分析與仿真計算

2.4.1載荷和約束

站臺門一般設(shè)置在站臺邊緣，與列車軌道大致平行，所以在建模過程中，將列車運行時產(chǎn)生的風(fēng)壓，按照均布載荷的形式施加至站臺門與軌道平行的門體平面。站臺門在安裝完成后，固定在站臺結(jié)構(gòu)中，其橫向垂直和平行軌道的2個方向均被完全約束，同時也需約束站臺門縱向的轉(zhuǎn)動

2.4.2有限元計算結(jié)果

對列車以160km/h運行速度通過車站時產(chǎn)生的列車風(fēng)對站臺門的影響程度進行有限元分析，其分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可見，固定門的最大變形量出現(xiàn)在固定門玻璃中心處，滑動門的最大變形量出現(xiàn)在滑動門接縫中上部靠近中心處，應(yīng)急門的最大變形量同樣出現(xiàn)在中上部靠近應(yīng)急門接縫中心處。

2.5有限元仿真結(jié)果分析

通過有限元仿真分析，能夠得出列車在160km/h高速過站工況下，站臺門上布設(shè)的11個測點的應(yīng)力值。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后的結(jié)果如表2所示。通過對表2中仿真結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的工況下，站臺門結(jié)構(gòu)變形符合TB/T3559-2020中關(guān)于城際鐵路站臺門機械性能的相關(guān)要求。

3試驗驗證

3.1線路試驗

3.1.1試驗條件

本試驗車站條件為城際車站中的地下側(cè)式車站，上下行加裝全高式站臺門，復(fù)興號某型列車以160km/h通過該站臺，車站工況與前文所述仿真條件一致。

3.1.2試驗方案

在完成站臺門仿真研究后，即可得知站臺門承受的風(fēng)壓，對應(yīng)仿真過程中的設(shè)定條件，在實際運營線路中對站臺門承受的風(fēng)壓和風(fēng)速的變化規(guī)律以及風(fēng)壓荷載作用下站臺門的變形規(guī)律展開測試和研究，并將測試結(jié)果與仿真計算數(shù)據(jù)進行對比分析，所得分析結(jié)果可以為城際鐵路站臺安全防護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為城際鐵路站臺門的設(shè)置方式、位置、工作條件等因素提供參考。現(xiàn)場試驗的具體方案和裝置實物圖如圖4所示

3.1.3試驗步驟

（1）測試斷面選擇。根據(jù)研究需求以及仿真計算的相關(guān)結(jié)論，選定不同的測試斷面位置或者氣動效應(yīng)最明顯的位置進行測點的布設(shè)（2）測點選擇。所選測點可使有限元分析的結(jié)果能夠清楚呈現(xiàn)站臺門結(jié)構(gòu)載荷的分布特點，以及各個區(qū)域站臺門結(jié)構(gòu)在不同工況下承受風(fēng)載荷時的變形量。如圖5所示，若對列車過站時站臺門的最大結(jié)構(gòu)變形位置開展分析，需在諸如滑動門、固定門等關(guān)鍵部位布設(shè)測點，得以檢測其結(jié)構(gòu)變形情況。（3）數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)置。根據(jù)采集儀的采集特點、列車過站間隔以及數(shù)據(jù)需求對試驗基本參數(shù)、采樣頻率、采樣通道等進行設(shè)置。根據(jù)選定的傳感器型號和需要測定的物理量確定采樣通道的標定值。

3.1.4試驗數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場布設(shè)的傳感器輸出的是電壓信號，通過公式（4）可將采集到的電壓信號換算為站臺門的應(yīng)變量ε：

3.2線路試驗結(jié)果分析

表3為列車以160km/h速度通過站臺中部時，根據(jù)現(xiàn)場測試得出的站臺門不同測點門體結(jié)構(gòu)變形量數(shù)據(jù)。通過分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同測點位置對應(yīng)不同幅度的變形值，同時與仿真數(shù)據(jù)對比得出兩者之間變化幅度相似，說明測試所選用的傳感器靈敏度滿足當前測試場景的精度需求。從表2和表3中可知站臺門變形最大值均出現(xiàn)在在測點2，分別為9.89mm和8.87mm，表明仿真結(jié)果和測試數(shù)據(jù)的一致性，同時說明選定的城際鐵路站臺門結(jié)構(gòu)符合TB/T3559-2020中關(guān)于城際鐵路站臺門機械性能的相關(guān)要求，變形量的最大標準差都能控制在0.43以內(nèi)。對比2個表格中的數(shù)據(jù)可知，對應(yīng)測點處的試驗值均大于預(yù)測值，主要是因為線路試驗過程中難免受到隧道中自然風(fēng)、列車運行引起的振動等外部環(huán)境的影響，屬于測試過站中發(fā)生的正?，F(xiàn)象。

4結(jié)論

針對城際鐵路地下站站臺門結(jié)構(gòu)的材料特性，本文提出一套適用于城際鐵路站臺門結(jié)構(gòu)變形研究的仿真模擬計算方法，并通過在門體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置粘貼傳感器，對列車以160km/h速度通過站臺中部時站臺門各個部位的形變量進行測試。對比仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)可知，各個測點的測量值標準差均控制在0.43以內(nèi)，且應(yīng)力變化趨勢基本相同，由此證明有限元分析方法的可行性和列車與站臺門模型的有效性。通過數(shù)據(jù)仿真預(yù)演和線路測試驗證相互結(jié)合、相互印證的方法，為城際鐵路站臺門系統(tǒng)的設(shè)計方案提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)，對于促進城際鐵路站臺門行業(yè)的發(fā)展，具有積極的推動作用。

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作者:周梅 毛良 單位:廣東省鐵路建設(shè)投資集團有限公司 廣東珠三角城際軌道交通有限公司