智軌電車座椅骨架強度分析及結構優化

劉亞鵬，胡亞丹，盧 祺，銀應時

(湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410006)

0 引言

21世紀以來，中國的軌道交通事業蓬勃發展，但受限于地區人口和GDP，并非所有的城市都能建設地鐵，于是智能軌道快運系統(Autonomous rail Raid Transit，ART)(以下簡稱:智軌)應運而生。座椅骨架作為智軌電車的重要組成部分，不僅關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。智軌電車作為一種新型軌道交通工具，其設計之初從安全角度出發，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同樣的強度和剛度；二是對座椅骨架的結構進行優化設計；三是使用熱處理或表面處理等方式提高材料強度從而達到使用較少材料的目的[1]。

本文從減重降本的角度出發，對智軌電車座椅骨架進行了模態分析和強度分析，并通過結構優化，使其重量減輕了2.4%，實現了減重降本的目標。

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。座椅骨架主要構件包括縱梁、橫梁、支撐腿、封板、側擋板等。

1.2 網格劃分

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

圖1 網格模型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，座椅骨架的模態特性不僅與材料屬性相關，更取決于其本身結構[3]。余慧杰[4]等認為，工程中結構參數的隨機性是造成結構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的振動會對人體內臟器官產生嚴重損傷，而8～12.5 Hz的振動則會使人的脊椎系統產生共振。同時，汽車在行進過程中由于路面不平而產生的頻率為0.5～25 Hz[5]。因此在進行座椅骨架的設計時，應當避開這些頻率范圍。

2.1 模態分析

將1.3節所得有限元計算模型(只添加約束)導入到ANSYS里進行模態分析，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入到ANSYS里進行強度分析(見圖3)，為該座椅骨架的應力分布云圖。由圖3可知，該座椅骨架結構整體應力及變形都較小，最大應力發生在支撐腿與橫梁交接位置處，最大應力值為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，并且由于結構的不合理，造成其他設備難以安裝及拆卸維修。

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

3 結構優化與對比分析

根據2.2節強度分析結果可知，當前智軌電車座椅骨架在承受4人重量的情況下，最大應力僅為20.1 MPa，遠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，對該座椅骨架結構進行優化設計。將原來座椅骨架的支撐腿由9個減少為8個，并重新設計了支撐腿與橫梁的位置，以適應其他設備安裝的需求，新型座椅骨架三維模型見圖4，按照1.3節的載荷和約束條件對此模型進行模態分析和強度分析，結果如表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，對人體舒適度及車輛穩定性影響不大(見圖5)。進行優化設計后，新型座椅骨架最大應力與原座椅骨架在相同位置，均發生在支撐腿與縱梁交接處，新型座椅骨架最大應力為39.1 MPa，最大變形為0.062 mm，比之優化前最大應力及變形都有所增加，但仍滿足設計需求，并且由于結構的優化設計，適應了其他設備結構的安裝及維護。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，實現了減重降本的目標。

4 結論

本文基于輕量化的設計原理，對智軌電車座椅骨架進行了結構的優化設計，并對優化前后的座椅骨架進行了模態分析和強度分析。得出如下主要結論：①優化設計后座椅骨架封板開口可以擴大，更加有利于內部設備的安裝及維護，為日后設備的維修節約了時間和人力成本。②優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%，一定程度上實現了智軌電車減重降本的目標。