深圳地鐵11號線車輛商務車廂座椅]的強度分析與優化設計

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設計研究所，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，對客室內裝設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，串聯起了多個重點產業集聚區和寶安國際機場，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計制造的8編組A型列車，設計最高速度為120 km/h，其中6節車廂為普通車廂，另外2節為商務車廂。商務車廂的設計，是為了進一步提升長距離換乘旅客的舒適性，因此在內裝設計上也借鑒了動車組列車，設置有行李架、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墻上。本文對橫排座椅不銹鋼安裝支座進行強度分析，根據有限元仿真結果提出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計，符合人機工程學。座椅兩側設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，下方安裝孔距離內裝地板面148 mm，安裝完成后，椅面距內裝地板面440 mm。

相比傳統的安裝在地板上的支撐座，橫排座椅懸臂安裝在側墻上有以下幾個優點：保證內裝地板的的完整性，避免落地支腿安裝時地板開洞之后的密封和防水問題；無落地支腿的結構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，懸臂安裝支座的結構受力情況相對較差，成為座椅設計中的重點和難點。

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、扶手等結構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，在該方向上發生變形或失效的風險也最大，所以本文主要考慮該方向上的作用力。經過分析，座椅應受到以下4個方面的作用力。

1)座椅的自重。

2)根據標準UIC 566《車體及車體部件的載荷》中規定，每個座位380 mm×220 mm的座位面積上受向下的1 000 N。

3)根據標準TB/T 1335《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中規定，車內設備應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模塊進行靜應力分析。首先，對模型添加夾具，將螺栓連接處與側墻緊貼的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。設置網格密度為良好，單元大小20 mm，公差為1 mm，運行模型進行網格的劃分，結果如圖5所示。

圖4 添加夾具與載荷

圖5 劃分網格

網格劃分完成的同時，有限元計算的結果也通過圖表的方式直觀顯示。支座的應力分布如圖6所示， 最大應力為175 MPa，出現在管材彎折處和板材與管材連接的內側支架處。支座的位移情況如圖7所示，最大位移出現在遠離約束點的一端，約為1.585 mm。根據指定的參數，該工況下的最小安全系數僅為1.18，若將設計安全系數設置為1.5，則低于設計安全系數的區域，如圖8所示，與最大應力出現的區域一致。因此，該設計方案不滿足強度要求，需要進行優化設計。

圖6 應力分布圖

圖7 位移圖

圖8 安全系數圖

5 優化設計

通過有限元分析可知，雖然安全系數均大于1，但是考慮實際使用時的復雜工況，局部區域強度不足，可能出現安全隱患，有必要進行結構優化設計，目標是將整體安全系數提高到1.5以上。本文提出以下2種優化方案。

方案一：分析安全系數較低的區域，選擇優化的措施為在管材彎折處與板材連接區域增加一個支架，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°。對優化后的模型重新進行有限元分析，應力分布情況和位移情況分別如圖10和圖11所示。可以看到，最大應力由原來的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，安全系數提高到了2.28。通過結構優化，在保留原有結構框架的前提下，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構，力臂過長，嚴重影響支座的應力分布和變形情況。因此，考慮通過在支座靠近過道側增加完全落地的支腿來改善支座的受力情況，優化后的模型如圖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。對優化后的模型重新進行有限元分析，應力分布情況和位移情況分別如圖14和圖15所示。可以看到，最大應力由原方案的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，說明該優化方案也是有效可行的。

圖9 優化后的支座三維模型(方案1)

圖10 應力分布圖(方案1)

圖11 位移圖(方案1)

圖12 優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 應力分布圖(方案2)

圖15 位移圖(方案2)

2種優化方案均能夠有效改善座椅支座的受力和變形情況，達到將安全系數提高到1.5以上的目標，具體對比情況見表1。其中，優化方案1保留了原方案完全懸臂的安裝結構，對整個座椅造型沒有影響，保證了內裝地板的完整性、乘客的腳部活動空間的最大化和地板清潔維護的便捷性；優化方案2增加了落地安裝的支腿結構，對原方案的受力和變形情況的改善程度優于方案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，具體選擇哪種優化方案，需要從業主需求、改造成本和項目進程等多方面進行綜合考慮。

表1 三種方案仿真結果對比表

6 結語

本文針對深圳地鐵11號線車輛橫排座椅的結構特點和工況，對該座椅懸臂支座的結構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，得到了應力分布、位移和安全系數等相關分析結果，找到了其結構強度最差的位置。

依據分析結果，對支座模型進行了優化，提出了2種不同的優化方案，并重新進行了有限元分析驗證。結果表明，2種優化后的模型安全系數均大于1.5，滿足給定工況下的使用要求，但是各有優缺點。分析結果對今后類似結構的座椅設計具有積極的指導意義。

本文僅做了在重力方向上的靜態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。