吳俊杰，王雁東，李振陽，郭海洋

(中車株洲電力機車有限公司工業(yè)設(shè)計研究所，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，地鐵車輛在民眾日常出行中扮演著越來越重要的角色，對客室內(nèi)裝設(shè)計的個性化要求也不斷提高。深圳地鐵11號線又名機場線，全長約52 km，串聯(lián)起了多個重點產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和寶安國際機場，是深圳地鐵中的超級換乘線。深圳地鐵11號線采用中車株洲電力機車有限公司設(shè)計制造的8編組A型列車，設(shè)計最高速度為120 km/h，其中6節(jié)車廂為普通車廂，另外2節(jié)為商務(wù)車廂。商務(wù)車廂的設(shè)計，是為了進一步提升長距離換乘旅客的舒適性，因此在內(nèi)裝設(shè)計上也借鑒了動車組列車，設(shè)置有行李架、遮陽簾、軟包橫排座椅等。其中，橫排座椅底部完全架空，采用懸臂支座安裝在側(cè)墻上。本文對橫排座椅不銹鋼安裝支座進行強度分析，根據(jù)有限元仿真結(jié)果提出2種不同的改進方案，并重新進行仿真計算和對比分析。

1 項目概述

該項目座椅布置采用橫向雙人座形式，為了提高乘坐的舒適性，靠墊和坐墊采用軟墊外包蒙布的形式，形狀按照人體骨架曲線設(shè)計，符合人機工程學(xué)。座椅兩側(cè)設(shè)置有可向上翻折的扶手，靠近過道的座椅靠背處布置有可供站立乘客抓握的把手。座椅安裝支架采用304不銹鋼制成，通過4顆M12×110的六角螺栓懸掛固定在車體側(cè)墻上。座椅三維模型如圖1所示。

座椅安裝尺寸如圖2所示，4個安裝孔橫向相距220 mm，縱向相距210 mm，下方安裝孔距離內(nèi)裝地板面148 mm，安裝完成后，椅面距內(nèi)裝地板面440 mm。

相比傳統(tǒng)的安裝在地板上的支撐座，橫排座椅懸臂安裝在側(cè)墻上有以下幾個優(yōu)點：保證內(nèi)裝地板的的完整性，避免落地支腿安裝時地板開洞之后的密封和防水問題；無落地支腿的結(jié)構(gòu)可以保證乘客最大的腳部活動空間；方便維護座椅下方空間的日常清潔維護。但是，懸臂安裝支座的結(jié)構(gòu)受力情況相對較差，成為座椅設(shè)計中的重點和難點。

圖1 座椅三維模型

單位：mm

2 模型簡化

由于原有的座椅三維模型非常復(fù)雜，有大量對分析影響很小的特征，直接進行有限元分析工作量巨大。因此，運用SolidWorks三維建模軟件對座椅的三維模型進行簡化。首先，座椅的強度主要取決于懸臂支座，去掉模型中坐墊、靠墊、扶手等結(jié)構(gòu)可以極大地簡化模型；其次，座椅支座上的一些較小的圓角、倒角等特征，也可以進行簡化，對分析結(jié)果的影響不大；最后，在座椅支座與坐墊連接固定的表面上，設(shè)置3個平面，依次記為平面A，平面B和平面C。另外，由斷面圖可知，為了減重，上方板型材壁厚4 mm，下方管型材壁厚2 mm，中間連接的支架厚3 mm。簡化后的座椅支撐座三維模型如圖3所示。

圖3 座椅支座簡化三維模型

3 受力分析

因為座椅在使用過程中，在重力方向上受到的作用力最大，在該方向上發(fā)生變形或失效的風(fēng)險也最大，所以本文主要考慮該方向上的作用力。經(jīng)過分析，座椅應(yīng)受到以下4個方面的作用力。

1)座椅的自重。

2)根據(jù)標(biāo)準UIC 566《車體及車體部件的載荷》中規(guī)定，每個座位380 mm×220 mm的座位面積上受向下的1 000 N。

3)根據(jù)標(biāo)準TB/T 1335《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》中規(guī)定，車內(nèi)設(shè)備應(yīng)能承受任何方向的最大沖擊加速度3 g(g=9.81 m/s2)。

4)座椅邊緣應(yīng)能承受豎直向下的載荷400 N。

因此，在平面B和平面C上，均受到豎直向下的作用力200 N(單個座椅自重)、1000 N、600 N(3 g沖擊載荷)和400 N，合計每個平面均受到2 200 N的載荷；同時，在平面A上，受到豎直向下的作用力400 N。

4 有限元分析

當(dāng)分析對象為單一材料的單實體零件，且載荷和約束條件較簡單時，可以采用SolidWorks軟件自帶的SimulationXpress模塊進行靜應(yīng)力分析。首先，對模型添加夾具，將螺栓連接處與側(cè)墻緊貼的2個平面完全約束。其次，添加豎直方向的載荷，依據(jù)前文分析，分別對3個平面施加400 N、2 200 N和2 200 N的力。夾具和載荷的定義情況如圖4所示。最后，定義零件的材料：選取材料為304不銹鋼，密度約為7 930 kg/m3，屈服強度為207 MPa，抗拉強度為517 MPa。網(wǎng)格劃分是有限元前處理中的重點和難點，很大程度上決定了計算的精度和速度。設(shè)置網(wǎng)格密度為良好，單元大小20 mm，公差為1 mm，運行模型進行網(wǎng)格的劃分，結(jié)果如圖5所示。

圖4 添加夾具與載荷

圖5 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分完成的同時，有限元計算的結(jié)果也通過圖表的方式直觀顯示。支座的應(yīng)力分布如圖6所示， 最大應(yīng)力為175 MPa，出現(xiàn)在管材彎折處和板材與管材連接的內(nèi)側(cè)支架處。支座的位移情況如圖7所示，最大位移出現(xiàn)在遠離約束點的一端，約為1.585 mm。根據(jù)指定的參數(shù)，該工況下的最小安全系數(shù)僅為1.18，若將設(shè)計安全系數(shù)設(shè)置為1.5，則低于設(shè)計安全系數(shù)的區(qū)域，如圖8所示，與最大應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域一致。因此，該設(shè)計方案不滿足強度要求，需要進行優(yōu)化設(shè)計。

圖6 應(yīng)力分布圖

圖7 位移圖

圖8 安全系數(shù)圖

5 優(yōu)化設(shè)計

通過有限元分析可知，雖然安全系數(shù)均大于1，但是考慮實際使用時的復(fù)雜工況，局部區(qū)域強度不足，可能出現(xiàn)安全隱患，有必要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，目標(biāo)是將整體安全系數(shù)提高到1.5以上。本文提出以下2種優(yōu)化方案。

方案一：分析安全系數(shù)較低的區(qū)域，選擇優(yōu)化的措施為在管材彎折處與板材連接區(qū)域增加一個支架，即圖9中的支架3。為了有效增大與管材的接觸面，支架3的布置方向與原有的2個支架呈90°。對優(yōu)化后的模型重新進行有限元分析，應(yīng)力分布情況和位移情況分別如圖10和圖11所示?？梢钥吹?，最大應(yīng)力由原來的175 MPa減小為90.65 MPa，最大位移由原來的1.585 mm減小為1.286 mm，安全系數(shù)提高到了2.28。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保留原有結(jié)構(gòu)框架的前提下，有效提高了座椅支座的強度，證明該改進方案是有效可行的。

方案二：分析原方案支座為完全懸臂結(jié)構(gòu)，力臂過長，嚴重影響支座的應(yīng)力分布和變形情況。因此，考慮通過在支座靠近過道側(cè)增加完全落地的支腿來改善支座的受力情況，優(yōu)化后的模型如圖12所示。由于增加了落地的支腿，須重新對模型進行夾具定義，增加一個支腿底部與地面接觸處的固定約束，如圖13所示。對優(yōu)化后的模型重新進行有限元分析，應(yīng)力分布情況和位移情況分別如圖14和圖15所示?？梢钥吹?，最大應(yīng)力由原方案的175 MPa減小為41.82 MPa，最大位移由原方案的1.585 mm減小為0.1732 mm，安全系數(shù)提高到了4.95。通過落地支腿的增加，非常明顯地改善了支座整體的受力和變形情況，說明該優(yōu)化方案也是有效可行的。

圖9 優(yōu)化后的支座三維模型(方案1)

圖10 應(yīng)力分布圖(方案1)

圖11 位移圖(方案1)

圖12 優(yōu)化后的支座三維模型(方案2)

圖13 夾具與載荷重新定義示意圖

圖14 應(yīng)力分布圖(方案2)

圖15 位移圖(方案2)

2種優(yōu)化方案均能夠有效改善座椅支座的受力和變形情況，達到將安全系數(shù)提高到1.5以上的目標(biāo)，具體對比情況見表1。其中，優(yōu)化方案1保留了原方案完全懸臂的安裝結(jié)構(gòu)，對整個座椅造型沒有影響，保證了內(nèi)裝地板的完整性、乘客的腳部活動空間的最大化和地板清潔維護的便捷性；優(yōu)化方案2增加了落地安裝的支腿結(jié)構(gòu)，對原方案的受力和變形情況的改善程度優(yōu)于方案1，但是支腿的增加對座椅造型的影響較大，對地板的密封防水性能、乘客腳部活動空間和地板清潔的便捷性造成了影響，同時支腿也會造成整椅重量的明顯增加。因此，具體選擇哪種優(yōu)化方案，需要從業(yè)主需求、改造成本和項目進程等多方面進行綜合考慮。

表1 三種方案仿真結(jié)果對比表

6 結(jié)語

本文針對深圳地鐵11號線車輛橫排座椅的結(jié)構(gòu)特點和工況，對該座椅懸臂支座的結(jié)構(gòu)進行了簡化和重新建模，基于有限元方法對其進行了強度分析，得到了應(yīng)力分布、位移和安全系數(shù)等相關(guān)分析結(jié)果，找到了其結(jié)構(gòu)強度最差的位置。

依據(jù)分析結(jié)果，對支座模型進行了優(yōu)化，提出了2種不同的優(yōu)化方案，并重新進行了有限元分析驗證。結(jié)果表明，2種優(yōu)化后的模型安全系數(shù)均大于1.5，滿足給定工況下的使用要求，但是各有優(yōu)缺點。分析結(jié)果對今后類似結(jié)構(gòu)的座椅設(shè)計具有積極的指導(dǎo)意義。

本文僅做了在重力方向上的靜態(tài)載荷作用下的座椅支座強度分析，沒有考慮其他方向的靜態(tài)載荷，也沒有考慮在動載荷(沖擊載荷、周期載荷等)作用下的疲勞強度，這有待進一步的研究。