鋁合金扶手桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周強(qiáng)　趙風(fēng)啟

摘要：扶手是城軌車輛必不可少的組成部分，能起到維持乘客站立平衡和緩解乘客疲勞的作用。文章選取北京S1線磁浮列車的中立柱鋁合金扶手桿作為分析對(duì)象，通過有限元仿真試驗(yàn)研究扶手桿幾何設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鋁合金扶手桿強(qiáng)度的影響，為扶手設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；鋁合金扶手桿；有限元方法；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；磁浮列車 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：O346 文章編號(hào)：1009-2374（2016）16-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.004

城市軌道列車是一種運(yùn)行于城市內(nèi)部的快速、大運(yùn)量的軌道車輛，具有優(yōu)越的疏通客流的能力，車輛內(nèi)部裝飾和設(shè)備根據(jù)客流量進(jìn)行布置。為了能夠提高客運(yùn)能力，適應(yīng)軌道交通短途、大運(yùn)量的特點(diǎn)，車輛內(nèi)部只布置座椅和扶手，因此扶手是城軌車輛中重要的內(nèi)裝部件。在車輛正常啟動(dòng)、停車以及緊急制動(dòng)的時(shí)候，扶手起到維持乘客站立平衡和緩解乘客疲勞的作用，其布局和結(jié)構(gòu)形式多種多樣。在客流高峰時(shí)期，中立柱扶手桿上抓扶的乘客數(shù)量很多，導(dǎo)致扶手桿承受較大的沖擊力。因此在扶手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，會(huì)重點(diǎn)考慮扶手桿的強(qiáng)度、剛度性能，要求扶手桿能滿足一定的靜態(tài)載荷而不產(chǎn)生永久變形、斷裂等問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，扶手桿多采用不銹鋼管制成，其直徑一般在32～38mm之間。不銹鋼管表面多采用拉絲電涌或噴砂點(diǎn)解拋光處理。

鋁合金材質(zhì)的扶手桿在國(guó)內(nèi)城軌車輛領(lǐng)域應(yīng)用比較少，主要原因在于普通工業(yè)用鋁合金的力學(xué)性能弱于不銹鋼，且表面處理比較困難。現(xiàn)有的城軌車輛中，鋁合金扶手多采用陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理。但是鋁合金有著不銹鋼無法比擬的優(yōu)勢(shì)：重量輕、易成型。

有限元分析作為一種輔助設(shè)計(jì)手段，在城軌車輛的強(qiáng)度分析中已有應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《客車車體及其構(gòu)件的載荷》（UIC 566-1990）中規(guī)定的“扶手縱向、水平和垂直三個(gè)方向的載荷大于750N”，結(jié)合上海軌道交通11號(hào)線車輛扶手結(jié)構(gòu)，對(duì)地鐵車輛的受力最惡劣的座椅側(cè)扶手進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，結(jié)果表明鋁合金材質(zhì)具有輕量化、易成型的優(yōu)點(diǎn)，并且得出在給定的工況條件下，該扶手結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。參考文獻(xiàn)[2]以廣州地鐵6號(hào)線車輛鋁合金扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，利用ANSYS Workbench仿真軟件建立了頂部扶手的數(shù)值分析模型，論述了該模型的約束和加載情況，并通過應(yīng)力應(yīng)變分析，得出了最后的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，利用有限元分析可以縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期，避免多次試驗(yàn)不合格再修改設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的情況。如此既可以節(jié)約時(shí)間，又可以節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)，提高設(shè)計(jì)效率。

但是這些研究基本上都是在鋁合金扶手桿幾何尺寸不變的條件下進(jìn)行的強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)，極少涉及鋁合金扶手桿幾何設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)取值的問題。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合自己的研發(fā)設(shè)計(jì)工作：分析了鋁合金扶手桿外徑D和壁厚ξ對(duì)扶手桿應(yīng)力應(yīng)變的影響趨勢(shì)，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，尋求D和ξ的最優(yōu)取值；討論了增強(qiáng)鋁合金扶手桿強(qiáng)度的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

1 壁厚和直徑對(duì)扶手桿強(qiáng)度的影響

1.1 扶手桿模型描述

磁浮列車是一種新型交通工具，利用磁力使車體浮離地面，跟地面保持一定距離，保持磁浮的狀態(tài)，再利用電機(jī)推進(jìn)，就像一架超低空飛機(jī)貼近特殊的軌道運(yùn)行。磁浮列車不同于一般的城軌、地鐵車輛，輕量化是磁浮車輛永恒的主題之一。

唐車公司研發(fā)生產(chǎn)的中低速磁浮列車對(duì)車內(nèi)設(shè)備的重量提出了比較苛刻的要求。為了達(dá)到輕量化的要求，車輛的各部件都要求在滿足性能需求的前提下盡可能減輕重量。因此，相對(duì)于不銹鋼材質(zhì)的扶手，鋁合金扶手是一種不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方案。

本文擬采用的材料為7020A-T6，符合GB/T 6892-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。

材料常數(shù)如表1所示：

車內(nèi)所采用的鋁合金扶手桿，桿長(zhǎng)2100mm，為薄壁空腔圓管。試樣外徑設(shè)為D，壁厚設(shè)為ξ；扶手桿局部最大應(yīng)力設(shè)為σ，安全系數(shù)S=δs/σ，根據(jù)《客車車體及其構(gòu)件的載荷》（UIC 566-1990），要求最小安全系數(shù)S大于1.1。

1.2 建立數(shù)值分析模型

1.2.1 網(wǎng)格劃分。在ANSYS Workbench環(huán)境中導(dǎo)入外部幾何結(jié)構(gòu)，采用Solid六面體單元離散，構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析模型。扶手桿采用掃掠的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示：

1.2.2 約束及加載。計(jì)算中采用實(shí)際的約束方式，即扶手桿兩端的6個(gè)自由度完全約束。

加載方面，要求：（1）900N的橫向負(fù)載應(yīng)用在所有扶手范圍內(nèi)的任何點(diǎn)上，1300N/m的疊加力均勻分布，扶手不允許出現(xiàn)永久變形；（2）900N的垂直負(fù)載應(yīng)用在所有扶手范圍內(nèi)的任何點(diǎn)上，1300N/m的疊加力均勻分布，扶手不允許出現(xiàn)永久變形。

1.3 強(qiáng)度計(jì)算與分析

加載后的Von-Mess應(yīng)力云圖如圖2所示：

通過大量的仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，扶手桿發(fā)生應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域，發(fā)生在扶手桿兩端施加約束的地方，如圖3所示。在扶手桿的末端，可以通過局部加強(qiáng)來提高強(qiáng)度。

1.3.1 壁厚ξ對(duì)扶手桿局部最大應(yīng)力σ的影響。在外徑D為32～38mm，壁厚分別為1～4mm的49種鋁合金扶手桿試樣上進(jìn)行試驗(yàn)、計(jì)算，得到的扶手桿局部最大應(yīng)力σ隨ξ的變化情況如圖4所示：

從圖4可以看出：（1）在外徑D一定的條件下，ξ是影響扶手桿強(qiáng)度的一個(gè)主要因素。σ隨著ξ的增大而逐漸的減小。當(dāng)ξ小于2.5mm的時(shí)候，局部應(yīng)力集中的變化幅度非常大，變化幅度接近100～140MPa/0.5mm；但隨著ξ的逐漸增大，使得扶手桿的承載能力得到加強(qiáng)，應(yīng)力集中明顯削弱。當(dāng)ξ為2.5～4mm時(shí)，試樣局部最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定。（2）在ξ一定的條件下，σ隨D的增大而逐漸減小，但變化不大，基本都在5～10MPa/mm，說明扶手桿外徑D對(duì)應(yīng)力集中的影響程度很小。

1.3.2 ξ對(duì)S的影響。

從圖5可以看出：

當(dāng)D=32mm，ξ>4mm；D=33mm，ξ>3.8mm；D=34mm，ξ>3.5mm；D=35mm，ξ>3mm；D=36mm，ξ>2.5mm；D=37mm，ξ>2.2mm；D=38mm，ξ>2mm時(shí)，S>1.1，符合設(shè)計(jì)要求。其他情況不能夠滿足強(qiáng)度要求。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，ξ是影響安全系數(shù)的重要因素，0.5mm壁厚差值，就會(huì)造成很嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部疲勞失效區(qū)域，不利于扶手桿的整體強(qiáng)度。

2 扶手桿斷面設(shè)計(jì)

2.1 新型斷面設(shè)計(jì)

鋁合金扶手桿與不銹鋼扶手桿，除了材質(zhì)和壁厚不同外，多數(shù)情況下采取了同樣的設(shè)計(jì)方式，即空腔薄壁結(jié)構(gòu)，如圖6所示：

為了增強(qiáng)鋁合金管的強(qiáng)度，除了增加壁厚，還可以通過內(nèi)部加強(qiáng)筋的方式來提高強(qiáng)度，扶手桿型腔斷面如圖7所示。

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

在外徑D為38mm，如圖6、圖7所示兩種類型的鋁合金扶手桿試樣上進(jìn)行試驗(yàn)、計(jì)算，得到的扶手桿最大應(yīng)力σ隨ξ的變化情況如圖8所示：

從圖8可以看出，增加加強(qiáng)筋后，鋁合金管的抗疲勞強(qiáng)度大大增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，所得到的結(jié)論主要如下：（1）壁厚ξ是影響安全系數(shù)S的主要影響因素。ξ對(duì)S的影響，主要是因?yàn)棣蔚淖兓淖兞朔鍪謼U應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中程度。ξ減小，扶手桿兩端的應(yīng)力集中加劇；ξ增大，應(yīng)力集中減弱，故ξ越小越不利于扶手桿的抗疲勞能力。（2）外徑D對(duì)安全系數(shù)S有一定的影響，但是影響不大。（3）本文中，內(nèi)部加強(qiáng)筋是增加鋁合金扶手桿強(qiáng)度的有效方式，加強(qiáng)筋的使用避免了單一的通過增加壁厚來提高強(qiáng)度的單一方式，而且強(qiáng)度更高。

參考文獻(xiàn)

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