一種城軌車輛環形扶手的設計分析

相貝貝，任萬躍，陳 群

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

地鐵車輛客室扶手主要分為門立柱罩扶手、座椅兩側扶手、座椅上方的橫扶手、端墻和隔墻上的端部扶手、中央立柱、中央橫扶手桿以及司機室車門扶手。扶手作為乘客抓靠的內裝部件，主要用來維持乘客站立平衡和緩解乘客站立疲勞，而當車輛在離站加速和到站減速過程中，站立的乘客因慣性作用而失去身體平衡，相對其他扶手來說，中央扶手往往聚集乘客人數眾多，會受到較大的抓扶力，這就對中央扶手的結構強度提出了更高要求。

在生產現場，筆者注意到深圳258城軌車輛項目的中央扶手不同于常規城軌車輛的中央立柱-橫桿式簡易扶手設計，它還增設了中央環形扶手這一種新式扶手結構。為了保證乘客的乘車舒適度和安全性，同時也為了促進地鐵車輛扶手的結構優化設計進程，本文對其進行了研究分析。

1 中央扶手簡介

1.1 基于人機工程學的中央扶手布置與選材

地鐵扶手設計主要遵循人機工程學相關原理和方法進行的，從而最大限度地體現內裝設計的人性化、舒適性和安全性，其中最重要的設計原則就是人體尺寸百分位數，最常用的有P5、P50、P953種百分位數。按照GB 10000-1998[1]中人體尺寸標準，3種百分位數對應的我國男女身高尺寸(見表1)。目前地鐵車輛中央橫扶手的高度尺寸1 900 mm就是根據人體身高尺寸的95百分位數確定的，這樣可確保95%的人群身高小于此值，從而避免身材高大人群頭部觸碰到上部中央橫扶手桿，同時也保障50%以上的男女乘客可方便抓握到中央橫扶手桿。

表1 人體尺寸

深圳258城軌車輛項目的中央扶手包括中央立柱扶手、中央橫扶手和中央環形扶手。它們在客室內具體布置(見圖1)，中央立柱扶手設置在客室側窗兩側，每節車布置8根；中央橫扶手布置在客室側窗中心，每節車布置4根；中央環形扶手按照客室內的分布有中間車門環形扶手和端部車門環形扶手2種設計，每節車有3個中間車門環形扶手、2個端部車門環形扶手。

圖1 客室扶手布置

2種車門區環形扶手的結構(見圖2)，結合該環形結構特點，分析圖1中客室內各扶手的分布情況，深圳258客室扶手的整體布局完整地實現了乘客無論站在哪個區域都能隨手抓握到內飾扶手來滿足乘車需求，充分遵守了內裝設計的人機工程學原理，體現出了深圳258項目扶手設計的人性化和安全性。

(a)中間車門環形扶手

深圳258項目中央立柱扶手采用的是φ 38 mm的不銹鋼管，其他扶手采用的是φ 32 mm×2 mm的不銹鋼管，材質均選用了OCr18Ni9，即304不銹鋼，此不銹鋼焊接件通常具有足夠的耐晶間腐蝕能力，在氧化性酸中、堿溶液、大部分有機酸和無機酸以及大氣、水、蒸汽中都具有優良的耐蝕性，充分滿足了扶手耐腐蝕的技術要求，提高扶手的使用壽命。

1.2 環形扶手的固定方式

環形扶手結構不同于一般中央橫扶手桿，其固定方式也隨結構特點有所不同。首先從圖2可以看出，2種環形扶手的固定位置主要區別有2點：①因環形扶手長度不同，中間固定橫桿的個數不同。②扶手某一端的固定位置不同，中間車門環形扶手兩端均固定在中央立柱扶手上，端部車門環形扶手有一端則直接固定在縱橫梁上。

2種扶手固定所用的緊固件相同(見圖3)，環形扶手端部和中央立柱扶手通過內接頭和圓柱頭螺栓連接；環形扶手中間部分通過橫扶手拉桿、T型接頭和T型螺栓緊固在頂部縱梁上如圖4所示。

圖3 環形扶手與立柱扶手固定處

圖4 環形扶手與縱梁固定處

2 基于有限元分析的環形扶手優化設計

由于扶手專供地鐵車輛上站立乘客抓握，故除了考慮外觀、人機工程學因素外，還需要考慮當車輛滿載乘客抓扶時其結構和固定方式能否滿足高結構強度要求。所以，在設計和布置中央環形扶手過程中，對其與中央縱梁間的連接處進行了基于Hypermesh和ANSYS有限元靜力學仿真分析。中間車門環形扶手的長度尺寸相比端部扶手較大，在對這2種扶手進行有限元強度校核時，對中間車門環形扶手與縱梁間的連接方式進行了結構強度優化設計。

2.1 中間車門環形扶手原始模型分析

2.1.1 有限元模型的建立

Hypermesh是一款具有強大幾何清理和有限元網格劃分前處理功能的CAE應用軟件，考慮到薄壁鋼管環形扶手的特殊結構設計，所以選用在Hypermesh中對扶手進行前處理來建立有限元模型，具體步驟包括幾何清理、中面抽取、網格劃分、附材料及shell單元屬性，然后導出cdb文件格式，再導入ANSYS中設置邊界條件和添加載荷，最后提交ANSYS求解器進行有限元計算。

中間車門環形扶手原始的設計結構(見圖5)，該扶手結構只在兩側與中間縱梁通過橫扶手拉桿固定。環形扶手上的焊接橫桿與橫扶手桿之間是通過T型接頭連接，通常緊固件的緊固強度比焊接件要高，為便于建模，在有限元建模中將此處簡化為焊接，故保證焊接方式的結構強度滿足要求時，緊固件連接方式也就滿足了材料的強度要求。

圖5 原始扶手結構

在Hypermesh中對原始幾何模型進行抽中面、網格劃分、附殼單元屬性、材料屬性后，得到有限元模型(見圖6)。其中，殼單元厚度設置為2 mm；304不銹鋼材料的彈性模量值設置為2.06 e+5 MPa，密度值為7 930 kg/m3，泊松比為0.3。

圖6 原始扶手有限元模型

2.1.2 有限元計算的結果分析

地鐵扶手的受力主要由乘客的手掌傳至扶手，這其中與乘客手臂同扶手的角度以及所施加的力的大小有關，且隨著人體身高的降低，手臂與扶手間所形成的夾角越大(見圖7)，根據UIC 566-1990附錄3[2]中關于乘客手臂位置與方向確定的最大應力部分，本論文取乘客手臂與扶手夾角為0時，乘客將自身體重全部施加在扶手上，即扶手受力的極端情況作為扶手靜強度分析的工況。

圖7 手臂位置與方向確定的最大應力示意圖

按照GB 10000-1998[1]中人體尺寸標準，地鐵乘客的人體尺寸(見表2)，同一百分位中，男、女的身高與肩寬為最大值，當扶手跨度大約1 500 mm時，以50百分位男乘客為例，單側可提供至少3個抓位。

表2 人體尺寸

根據以上扶手的靜強度工況分析，以及地鐵車輛中央扶手的采購技術規范，在ANSYS中對原始扶手有限元模型設置工況1，即扶手兩側環形區各施加3個900 N的載荷，最后得到應力應變云圖(見圖8)。依據標準EN 12663-1的規定：車體在所有靜載荷工況作用下，車體應力安全系數均取1.15，304不銹鋼材料的屈服強度為205 MPa，所以該扶手的設計許用應力為178 MPa。從圖8可看出，環形扶手在橫扶手與拉桿連接處出現最大應力109 MPa，小于不銹鋼許用應力178 MPa，受力處最大變形量為1.38 mm，變形量較大。

圖8 工況1時的計算結果

對原始扶手有限元模型設置工況2，環形區單邊施加3個900 N的力，得到應力應變云圖(見圖9)。由圖可知，環形扶手在橫扶手與拉桿連接處出現最大應力為192 MPa，超過了不銹鋼的許用應力178 MPa，受力處最大變形量為2.477 mm，變形量相比兩側受力也增大。

圖9 工況2時的計算結果

對比2種工況下的扶手強度計算結果可知，相對于工況1的兩側受力，扶手在工況2時由于受力不平衡，單邊受力較大造成連接處應力應變值更大，應力值已超過了材料的許用應力，當地鐵車輛乘客滿載時，不利于扶手的使用壽命，故需要對該結構進行強度優化。

2.2 中間車門環形扶手優化模型分析

2.2.1 有限元模型的建立

為增強扶手在連接處的結構強度，在原模型的基礎上，為扶手的中心線處增設了橫扶手桿，即最終的環形扶手結構。其結構尺寸圖(見圖10)。然后對該結構進行有限元強度分析，根據前面的計算結果，只需要驗證工況2下扶手的結構強度。

圖10 優化后的扶手

相同地，對優化后的扶手模型得到的有限元模型如圖11所示。

圖11 優化扶手的有限元模型

2.2.2 有限元計算的結果分析

鑒于該結構扶手為三橫桿，車輛滿載時可提供至少4個抓位，故對優化后扶手的有限元模型設置工況，環形區單邊施加4個900 N的力，提交計算后得到的應力應變云圖(見圖12)。由圖12(a)應力云圖可知，環形扶手同樣在橫扶手與拉桿連接處出現最大應力，值為163.72 MPa，比未優化的扶手單側受3個900 N載荷時產生的最大應力192 MPa小得多，也小于材料的許用應力；從圖12(b)應變云圖可知，扶手最大變形量為0.56 mm，變形量也減小。從而說明優化后的扶手結構強度滿足要求，該優化方案可行，最終中間車門扶手結構采用了該結構。

(a)應力云圖 (b)應變云圖

3 現場環形扶手的晃動問題分析

3.1 晃動問題分析

根據第3節的強度分析可知，深圳258環形扶手的結構強度滿足要求，且當車輛滿載時，可為站立乘客提供更多抓握的空間。但由于結構的特殊性和固定方式的局限性，中央扶手安裝完成后，環形扶手存在左右微小晃動現象。

環形扶手不同于一般橫桿扶手，它有兩側供乘客抓握的橫桿，呈車體中心線對稱分布(見圖13)，橫桿間距離為400 mm，而環形扶手分別與中央立柱、中間縱梁間是居車體中心線固定的，并且固定接觸面尺寸相對橫桿間距來說很小，環形扶手在空間上就存在固定轉軸。當一側受乘客抓扶力比另一側偏大時，緊固件不足以保證扶手的力矩平衡，就會出現微小晃動問題。

(a)環形扶手固定示意圖 (b)橫桿扶手固定示意圖

3.2 解決方案

基于深圳258項目縱橫梁的現行布置方案無法為環形扶手兩側提供固定位置，為解決扶手晃動的問題，本論文仍以扶手自身結構優化為主給出一個解決方案。圖14(a)由于扶手到縱梁之間距離有限，將扶手橫桿處以焊接方式增設以車體中心線對稱分布的焊接件結構，然后焊接件上方仍通過T型螺栓固定在縱梁上，圖14(b)這種結構可保證當扶手兩側受乘客抓握力不平衡時，仍能保持力矩平衡而避免出現微小晃動。

(a)結構優化后的扶手

根據扶手的結構特點及強度分析結果，為保證此改善晃動問題的扶手優化方案同樣滿足強度要求，須將原中央跑道扶手的布置高度1 900 mm調整為1 850 mm，這樣可增加扶手上方的焊接橫扶手拉桿長度，以確保和原拉桿長度保持一致。

4 結語

本文以深圳258地鐵車輛的中央環形扶手為研究對象，從人機工程學出發介紹了該扶手的結構特點和選材，概述了其在整車上的布置情況，以及與中央立柱扶手、縱梁間的固定方式。并基于Hypermesh和ANSYS有限元聯合仿真分析其連接處的結構強度，來對該扶手的設計優化過程展開論述；最后針對現場扶手出現的微小晃動問題，提出了改善方案。

1)深圳258客室扶手采用無輔助抓握件的設計方案，在視覺上增大了地鐵車輛內飾空間，中央環形扶手外形設計為環形結構，可為站立乘客提供更多的抓扶位，使得深圳258客室扶手整體布置充分體現了人機工程學的設計原則。

2)對環形扶手基于有限元分析靜強度發現，環形區域兩側同時受力時的應力應變量比單側受力時要小；增加環形扶手中間的橫扶手桿數量，可減小扶手連接處所受的最大應力，提高扶手強度。

3)基于對扶手現存晃動問題的分析發現，該環形扶手的固定方式應遵循力矩平衡原理，呈中心線對稱固定。由于連接頭緊固面相對扶手整個尺寸來說很小，若只在中心線上設置固定，不可避免地會出現微小晃動。