阮國靖，李 娜，呂志東，張 宇，陳正瑋

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031)

0 引言

地鐵車的座椅通過一個連接梁與側(cè)墻相連，此連接梁材料為6063－T5鋁合金型材，座椅與連接梁之間通過T型螺栓連接，現(xiàn)有地鐵運行車輛座椅與車體的連接情況如圖1所示，“未連接”區(qū)域表示現(xiàn)有運營車輛座椅兩端有兩排連接點未連接，共8個連接點;“已連接區(qū)域”表示既有運營車輛座椅的固定點?，F(xiàn)有地鐵列車在運行過程中連接梁在T型螺栓的拉力作用下C型槽發(fā)生了凸起的塑性變形現(xiàn)象，為了分析連接梁發(fā)生塑性變形的原因，以及在既有材料基礎(chǔ)上獲得優(yōu)化改進(jìn)方案，對座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。

圖1 現(xiàn)有地鐵運行車輛座椅結(jié)構(gòu)及與車體的連接情況

1 優(yōu)化改進(jìn)方案

地鐵列車實際運行中使用的T型螺栓是寬度為8.4 mm，屬于較窄的類型，連接時施加的預(yù)緊力為17.3 kN。在實際安裝過程中發(fā)現(xiàn)，在17.3 kN的預(yù)緊力作用下，C型槽已經(jīng)出現(xiàn)微小的凸起現(xiàn)象，座椅的鋁板變形明顯，墊片已經(jīng)發(fā)生變形，查機械手冊得知［1］，墊片內(nèi)徑應(yīng)該大于3倍的螺栓直徑。由此可知，墊片的尺寸選擇偏小，導(dǎo)致了座椅鋁板和墊片本身的變形，在預(yù)緊力作用下C型槽的變形較小，C型槽的較大的塑性變形是在有乘客的情況下列車實際運行時產(chǎn)生的。由此推斷，有兩點原因可能造成C型槽的變形:①T型螺栓與C型槽的接觸面積較小，可能導(dǎo)致接觸位置應(yīng)力較大，產(chǎn)生塑性變形;②由于側(cè)墻的鋁型材的影響，座椅的連接螺栓有兩排沒有連接，這兩排螺栓的位置在座椅兩端，可能由于約束不足，造成了連接位置的應(yīng)力較大，發(fā)生塑性變形。為分析具體原因進(jìn)行有限元計算分析。

連接梁的材料為6063－T5，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［2］EN－755，將材料的力學(xué)屬性統(tǒng)計如表1所列。

表1 材料力學(xué)屬性

為了探討C型槽產(chǎn)生塑性變形的原因以及獲取改進(jìn)方案，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［3］EN 12663施加載荷，進(jìn)行表2所示工況的有限元計算分析。

方案①:按照實際運行中采用的T型螺栓(寬度為8.4 mm)和實際運行中采用的連接方式，進(jìn)行有限元計算。

方案②:對T型螺栓進(jìn)行改進(jìn)，采用接觸寬度為30 mm的T型螺栓，連接方式仍然按照實際運行中的情況，進(jìn)行有限元計算。

方案③:對T型螺栓進(jìn)行改進(jìn)，采用接觸寬度為30 mm的T型螺栓，對連接方式進(jìn)行改進(jìn)，將未連接的兩排螺栓孔固定連接，考慮C型槽已經(jīng)發(fā)生局部凸起的塑性變形的影響，進(jìn)行有限元計算。

表2 工況施加表

本次計算，利用hypermesh軟件進(jìn)行前處理，建立有限元模型;利用nastran軟件進(jìn)行計算求解;利用hyperview軟件后處理，查看計算結(jié)果。將已有的座椅模型的在catia里建立三維模型，將catia模型導(dǎo)入有限元處理軟件hypermesh當(dāng)中，對模型進(jìn)行抽取中面，用殼單元建立連接梁以及座椅的有限元模型，采用四邊形CQUAD4劃分網(wǎng)格［4］，采用 RBE2單元建立乘客與座椅的連接關(guān)系，用RBE2和梁單元模擬螺栓［5］，用mass單元將每個乘客的質(zhì)量(取值為80 kg)施加在乘客重心位置，參考2010年國民體質(zhì)監(jiān)測公報關(guān)于成年人的平均體重，故選取每個人的重量為80 kg，如圖 2、3 所示。

圖2 座椅的有限元模型

圖3 連接梁的有限元模型

為便于區(qū)分以上有限元模型，對三個工況的有限元模型進(jìn)行說明，工況1和工況2的有限元模型只有一處不同，即是座椅與連接梁的連接所用的T型螺栓不同，在有限元模型中體現(xiàn)為RBE2單元與C型槽的連接點的個數(shù)不同，黃色點是連接點，工況1和工況2的T型螺栓模型對比如圖4所示。

工況3對C型槽已經(jīng)發(fā)生局部凸起的塑性變形的區(qū)域給予考慮，在有限元模型中體現(xiàn)為將C型槽的凸起部位的殼單元刪除，減少連接節(jié)點。工況3將未連接的兩排螺栓孔進(jìn)行固定，為適應(yīng)車體需要增加了一個長圓孔，如圖5所示。

圖4 工況1與工況2的T型螺栓模型對比

圖5 工況3與工況1，2的約束對比

2 有限元分析結(jié)果

圖6為工況1.1在hyperview軟件中顯示的有限元計算結(jié)果，該結(jié)果中選擇一排連接梁顯示了它的應(yīng)力值，由于要顯示的計算結(jié)果較多，在該計算結(jié)果基礎(chǔ)上，對要顯示結(jié)果的點進(jìn)行編號，如圖6所示，需要顯示結(jié)果的點用圓圈標(biāo)記，行號分別為A、B、C、D，列號為1、2、3、4、5，選擇橫坐標(biāo)為要顯示結(jié)果點的位置坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值，繪制了不同工況下的計算結(jié)果曲線圖如圖7所示。

圖6 工況1.1的計算結(jié)果

圖7 不同工況下的計算結(jié)果曲線圖

圖7 (a)是三種不同方案在X3Z1施加載荷工況下的有限元計算結(jié)果，圖7(b)是三種不同方案在Y1Z1施加載荷工況下的有限元計算結(jié)果，圖7(c)是三種不同方案在Z3施加載荷工況下的有限元計算結(jié)果，以上三曲線圖都能清晰的看出方案②和方案③比方案①有明顯改善，方案②仍然有連接點的應(yīng)力超過屈服極限，而方案③所有的連接點的應(yīng)力均降低到屈服極限以下。由方案①工況1.1，工況1.2，工況1.3的計算結(jié)果可知，現(xiàn)有的運行情況下的C型槽在T型螺栓的拉力作用下，很多連接點的應(yīng)力已經(jīng)超過屈服極限120 MPa，三個方向的加速度都會引起C型槽發(fā)生局部的屈服變形，尤其是車輛行駛方向X方向的加速度對其影響最大。由方案②工況2.1，工況2.2，工況2.3的計算結(jié)果可知，對T型螺栓進(jìn)行更換，采用接觸寬度為30 mm的T型螺栓，使得 C型槽和T型螺栓的接觸面積增大，此改變使得連接點的應(yīng)力已經(jīng)大幅度降低，但仍然有連接點的應(yīng)力超過屈服極限，并且主要是車輛行駛方向的加速度(X方向)會使其發(fā)生屈服變形。由方案③工況3.1，工況3.2，工況3.3的計算結(jié)果可知，采用接觸寬度為30 mm的T型螺栓，將C型槽已經(jīng)發(fā)生凸起的位置的單元刪除，將未連接的兩排螺栓孔進(jìn)行固定，使得連接點的應(yīng)力降低到屈服極限以下，最大應(yīng)力為118 MPa，XYZ三個方向的加速度均不會對C型槽造成破壞。

以上計算結(jié)果得不同工況下的最大應(yīng)力值如表3所列。

表3 不同工況下的最大應(yīng)力值

3 結(jié)論

(1)由方案①可知，在現(xiàn)有的運行狀態(tài)條件下(T型螺栓寬度8.4 mm)，C型槽與T型螺栓的大部分接觸位置的應(yīng)力超過屈服極限，會發(fā)生塑性變形。

(2)由方案②可知，將T型螺栓進(jìn)行更換，使T型螺栓與C型槽的接觸寬度在30 mm，將接觸面積增加，會使C型槽發(fā)生屈服的情況大幅度好轉(zhuǎn)，但仍然有個別點會發(fā)生屈服現(xiàn)象。

(3)由方案③可知，將T型螺栓進(jìn)行更換，使T型螺栓與C型槽的接觸寬度為30 mm，將接觸面積增加，將未連接的螺栓孔進(jìn)行固定，能避免發(fā)生屈服現(xiàn)象;并且，將C型槽發(fā)生屈服的位置的單元刪除，對此接觸區(qū)域的計算結(jié)果無明顯影響，能夠滿足運營要求，故選用方案③達(dá)到對座椅連接梁改進(jìn)優(yōu)化的目的。

［1］ 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ DIN EN 755－2鋁及鋁合金機械性能［S］.歐洲標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［3］ EN12663－2010鐵路應(yīng)用－鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求［S］.歐洲標(biāo)準(zhǔn)，2010.

［4］ 杜平安.有限元劃分的基本原則［J］.機械設(shè)計與制造，2000，13(1):15－16.

［5］ 張勝蘭.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.