智軌電車座椅骨架強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉亞鵬，胡亞丹，盧 祺，銀應(yīng)時

(湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410006)

0 引言

21世紀(jì)以來，中國的軌道交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，但受限于地區(qū)人口和GDP，并非所有的城市都能建設(shè)地鐵，于是智能軌道快運系統(tǒng)(Autonomous rail Raid Transit，ART)(以下簡稱:智軌)應(yīng)運而生。座椅骨架作為智軌電車的重要組成部分，不僅關(guān)系到整臺車的重量及成本，更與乘客的乘坐體驗和安全息息相關(guān)。智軌電車作為一種新型軌道交通工具，其設(shè)計之初從安全角度出發(fā)，安全裕量難免過大，造成不必要的材料浪費。因此，智軌電車的輕量化研究至關(guān)重要。座椅骨架的輕量化的方式主要包括3種：一是更換材料，用密度更小的材料來實現(xiàn)同樣的強度和剛度；二是對座椅骨架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；三是使用熱處理或表面處理等方式提高材料強度從而達(dá)到使用較少材料的目的[1]。

本文從減重降本的角度出發(fā)，對智軌電車座椅骨架進(jìn)行了模態(tài)分析和強度分析，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其重量減輕了2.4%，實現(xiàn)了減重降本的目標(biāo)。

1 座椅骨架有限元模型的建立

1.1 建立Creo三維模型

智軌電車座椅骨架設(shè)計為4人座椅，所有型材均采用鋁合金材料，屈服強度為215 MPa，密度為2.7 g/cm3，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.3。座椅骨架主要構(gòu)件包括縱梁、橫梁、支撐腿、封板、側(cè)擋板等。

1.2 網(wǎng)格劃分

將座椅骨架三維模型導(dǎo)入到HyperMesh中，進(jìn)行幾何清理，消除不必要的圓角和結(jié)構(gòu)，圍板和側(cè)擋板對結(jié)構(gòu)強度影響不大，因此有限元分析時不再對其劃分網(wǎng)格。將其余結(jié)構(gòu)抽取中面并將未連接的部分做焊接處理，隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為SHELL 181，單元尺寸為5 mm，共57 308個網(wǎng)格，模型總重7.59 kg，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型Fig.1 Mesh model

1.3 添加載荷及約束條件

座椅為4人座椅，按照100 kg/人的重量計算，重力加速度為10 m/s2，則垂向載荷共4 000 N，按照前后縱梁4:1的承載來施加[2]。垂向支撐腿底部及縱梁背面靠側(cè)墻部分采用固定約束。

2 有限元計算分析

一般來說，座椅骨架的模態(tài)特性不僅與材料屬性相關(guān)，更取決于其本身結(jié)構(gòu)[3]。余慧杰[4]等認(rèn)為，工程中結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機性是造成結(jié)構(gòu)固有頻率不確定性的重要因素。研究表明，人體最為敏感的頻率為1～12.5 Hz，其中4～8 Hz的振動會對人體內(nèi)臟器官產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，而8～12.5 Hz的振動則會使人的脊椎系統(tǒng)產(chǎn)生共振。同時，汽車在行進(jìn)過程中由于路面不平而產(chǎn)生的頻率為0.5～25 Hz[5]。因此在進(jìn)行座椅骨架的設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)避開這些頻率范圍。

2.1 模態(tài)分析

將1.3節(jié)所得有限元計算模型(只添加約束)導(dǎo)入到ANSYS里進(jìn)行模態(tài)分析，得到該座椅骨架的前六階固有頻率(見表1)。圖2所示為前兩階模態(tài)振型。該座椅骨架一階固有頻率為146.55 Hz，避開了人體最敏感頻率及路面激勵頻率，因此乘客在智軌電車行駛過程中整體感覺會較為舒適，不會產(chǎn)生大的振動感。

表1 座椅骨架前六階固有頻率Tab.1 The first six natural frequencies of seat skeleton structure

圖2 前兩階模態(tài)振型Fig.2 First two modal shape diagram

2.2 強度分析

將添加了載荷的有限元模型導(dǎo)入到ANSYS里進(jìn)行強度分析(見圖3)，為該座椅骨架的應(yīng)力分布云圖。由圖3可知，該座椅骨架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力及變形都較小，最大應(yīng)力發(fā)生在支撐腿與橫梁交接位置處，最大應(yīng)力值為20.1 MPa，最大變形量為0.046 mm。雖然滿足強度和剛度需求，但是造成了材料的浪費，并且由于結(jié)構(gòu)的不合理，造成其他設(shè)備難以安裝及拆卸維修。

圖3 座椅骨架應(yīng)力分布及局部放大圖Fig.3 Stress distribution of seat skeleton structure and partial enlarged detail

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與對比分析

根據(jù)2.2節(jié)強度分析結(jié)果可知，當(dāng)前智軌電車座椅骨架在承受4人重量的情況下，最大應(yīng)力僅為20.1 MPa，遠(yuǎn)低于鋁合金材料的屈服強度，造成了極大的材料浪費，基于此，對該座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。將原來座椅骨架的支撐腿由9個減少為8個，并重新設(shè)計了支撐腿與橫梁的位置，以適應(yīng)其他設(shè)備安裝的需求，新型座椅骨架三維模型見圖4，按照1.3節(jié)的載荷和約束條件對此模型進(jìn)行模態(tài)分析和強度分析，結(jié)果如表2和圖5所示。

圖4 新型座椅骨架三維模型Fig.4 Three-dimensional model of new seat skeleton structure

表2 新型座椅骨架前六階固有頻率Tab.2 The first six natural frequencies of new seat skeleton structure

圖5 新型座椅骨架應(yīng)力分布及局部放大圖

由表2可知，新型座椅骨架的固有頻率相較之前有所降低，但仍不在人體最敏感頻率及路面激勵頻率范圍之內(nèi)，對人體舒適度及車輛穩(wěn)定性影響不大(見圖5)。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，新型座椅骨架最大應(yīng)力與原座椅骨架在相同位置，均發(fā)生在支撐腿與縱梁交接處，新型座椅骨架最大應(yīng)力為39.1 MPa，最大變形為0.062 mm，比之優(yōu)化前最大應(yīng)力及變形都有所增加，但仍滿足設(shè)計需求，并且由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，適應(yīng)了其他設(shè)備結(jié)構(gòu)的安裝及維護。同時，新型座椅骨架重量為7.41 kg，而原來的座椅骨架重量為7.59 kg，相比之下，新型座椅骨架在強度和剛度滿足條件的情況下，重量減少了2.4%，一定程度上避免了材料的浪費，實現(xiàn)了減重降本的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文基于輕量化的設(shè)計原理，對智軌電車座椅骨架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化前后的座椅骨架進(jìn)行了模態(tài)分析和強度分析。得出如下主要結(jié)論：①優(yōu)化設(shè)計后座椅骨架封板開口可以擴大，更加有利于內(nèi)部設(shè)備的安裝及維護，為日后設(shè)備的維修節(jié)約了時間和人力成本。②優(yōu)化前后座椅骨架的固有頻率相差不大，但都避開了人體最敏感頻率和路面激勵頻率，并且優(yōu)化后座椅骨架的重量相比之前減輕了2.4%，一定程度上實現(xiàn)了智軌電車減重降本的目標(biāo)。