地鐵列車六人座椅的設計與分析

□ 徐祥書 □ 李廣軍 □ 錢佳林

江蘇理工學院 汽車與交通工程學院 江蘇常州 213001

1 設計與分析背景

地鐵列車已成為城市快速發展過程中必不可少的交通工具,每天都承載著大量乘客出行,地鐵列車座椅在地鐵運行中起著至關重要的作用[1-2]。對地鐵列車座椅進行科學的設計,不僅可以提高地鐵列車視覺上的美觀和乘車時的舒適度,而且對制造地鐵列車座椅成本和使用壽命有一定影響[3-4]。最近幾年來,已經有研究人員對地鐵列車座椅的設計進行了研究和分析。趙慧等[5]研究了城市雙層動車組的座椅在我國城際動車組中推廣的可能性及局限性。賴林等[6]以B型地鐵列車鼓形車體為模型,通過AutoCAD軟件將人機工程學原理應用于客室雙人橫排座椅的尺寸設計。陳祥等[7]為了提升高速列車乘坐舒適性,對CRH2型高速列車座椅舒適度進行了問卷調查,根據問卷調查結果、中國人體數據、座椅設計理論和人機工程學,應用多元回歸分析方法,確定影響座椅舒適度的因素。孫麗萍等[8]利用CATIA計算機三維人機交互軟件對地鐵列車座椅、扶手進行人機工程學分析,并提出尺寸參考值。丁佳慧等[9]以地鐵列車客室零部件為研究對象,運用CATIA軟件零件設計模塊建立地鐵列車客室零部件模型,并利用人機工程學設計與分析模塊,模擬乘客現實乘車場景,通過評價乘客不同姿態時的舒適度,分析地鐵列車客室零部件模型設計的合理性。范沁紅等[10]結合JACK人機工程仿真軟件、主觀感知舒適度量及壓力坐墊,對出口型電力機車司機座椅人機系統進行分析,進而基于人體工程學的座椅靠背設計方法,對座椅靠背形態進行優化,對優化后的座椅靠背人機匹配度進行仿真分析和主客觀試驗驗證。徐江華等[11]通過試驗得出乘客在睡眠、使用手機閱讀、使用客艙娛樂系統三種行為下的最舒適靜態坐姿與最佳壓力值,并提出針對性飛機座椅設計方案,提高乘客乘機過程中的舒適度,并基于人機工程學理論方法,結合觀察法與壓力分布試驗,借助SPSS統計軟件,得出乘客在三種常見行為下產生的最舒適靜態坐姿與對應的最佳壓力值。這一設計方法也對高鐵乘客座椅、大巴乘客座椅設計有一定的參考價值。

上述學者主要利用人機工程學方法對地鐵列車座椅的布局和設計進行研究,僅僅從人機工程學角度研究地鐵列車座椅。另一些學者則采用ANSYS有限元分析軟件對地鐵列車座椅進行研究。李志剛等[12]通過ANSYS軟件進行靜力學與模態分析,優化結果得到有效驗證,為類似結構的設計及優化提供思路。劉客等[13]利用SolidWorks軟件建立地鐵列車座椅的結構模型,并按標準規定對模型進行受力分析和靜動載荷加載,運用ANSYS軟件對座椅骨架進行強度分析。王萬林等[14]以鋁合金車體為例,探討鋁合金車體的有限元分析方法和結構整體評估方法,驗證了廣義結構剛度車體整體結構評估方法的有效性。吳仲劉等[15]為避免地鐵列車運營過程中空氣壓縮機產生振動,引起車窗、車內座椅及扶桿劇烈振動,對地鐵列車進行模態分析及諧響應分析。郭譯琛[16]對地鐵列車座椅進行了抖動性研究。潘小雨[17]通過有限元分析,對地鐵列車座椅進行結構優化設計及試驗研究。倪維宇等[18]為實現汽車座椅的輕量化設計,提出一種基于多工況的座椅骨架輕量化設計方法。

綜上所述,對地鐵列車座椅進行人機工程學設計和有限元分析單獨研究的學者很多,但少有人將兩者結合起來進行研究。同時,對座椅的有限元分析集中在靜載荷或動載荷分析,也未進一步考慮座椅固有頻率與車輛振動固有頻率的對比分析問題。因此,筆者將人機工程學設計座椅和有限元校核座椅強度結合在一起,對所設計的地鐵列車六人座椅進行模態分析,對座椅的固有頻率與車輛振動固有頻率做對比分析,最后得出制造地鐵列車六人座椅鋁合金材料優于不銹鋼材料的結論。

2 座椅設計

筆者利用CATIA軟件的人機工程學分析模塊,對地鐵列車六人座椅的舒適性進行分析,驗證座椅靠背曲線的舒適性,得到人體舒適度評估結果[19]。地鐵列車六人座椅設計流程如圖1所示。

圖1 地鐵列車六人座椅設計流程

(1) 根據我國地鐵內飾尺寸設計選取原則和所需的人體尺寸,結合人機工程學原理,確定地鐵列車六人座椅零部件的參數。

(2) 運用CATIA軟件建立并分析地鐵列車六人座椅的三維模型。

(3) 通過人體姿態評估舒適度分析評估舒適值,若評估合格,則設計完成,否則返回修改參數。

地鐵列車六人座椅設計需要參考我國地鐵列車座椅設計尺寸選取原則和座椅設計所需的人體尺寸,選取相應的人體百分位。第95百分位人體尺寸見表1,第5百分位人體尺寸見表2。

表1 第95百分位人體尺寸

表2 第5百分位人體尺寸

根據表1參數,考慮穿著及其它各種因素,可確定所設計的地鐵列車六人座椅寬度取3 000 mm。

根據表2可以確定地鐵列車六人座椅座面高度取400 mm,座椅深度取420～450 mm。

座椅設計為無頭靠式靠背,更加符合人體脊背的生理曲線。靠背的高度設計為565 mm,這樣能夠達到支撐人體的最佳效果。靠背與座椅面的夾角設計為105°左右。人機工程學座椅模型截面尺寸如圖2所示。根據參數,通過CATIA軟件草圖繪制命令,畫出地鐵列車六人座椅的截面尺寸。

圖2 人機工程學座椅模型截面尺寸

3 座椅模型評價

采用系統的科學方法研究人機環境三要素間的關系[20]。利用CATIA軟件的人機工程學設計與分析模塊,構建不同百分位的人體模型,基于中國人體標準參數,進行模型分析。導入人體模型如圖3所示。在地鐵列車六人座椅模型中導入第95百分位男性人體模型、第5百分位女性人體模型,通過對人體設置姿勢,利用Edits the angular limitations and the preferredangles命令對座椅模型的舒適度進行評估。設置姿勢界面如圖4所示。通過add按鈕,可以添加劃分的區域。通過Color按鈕,可以添加區域內的顏色。通過Score按鈕,可以對各角度區域對應的舒適度設置分值。舒適角度范圍顯示為綠色,設置分值為98分。次舒適角度范圍顯示為藍色,設置分值為90分。不舒適角度范圍顯示為黃色,設置分值為70分。非常難受角度范圍顯示為紅色,設置分值為60分。

圖3 導入人體模型

圖4 設置姿勢界面

經評估得出第95百分位男性和第5百分位女性坐姿舒適度評估結果,見表3。通過人體模型姿態分析,顯示地鐵列車六人座椅評估結果的平均值分別為97.3和95.5。分析結果表明地鐵列車六人座椅的設計符合人體舒適度要求,設計合理。

表3 坐姿舒適度評估結果

4 座椅模型靜力學分析

4.1 有限元分析流程

利用CATIA軟件建立地鐵列車六人座椅模型,應用ANSYS Workbench軟件對座椅進行有限元分析,具體流程如圖5所示。研究人員只需要根據計算原理,選擇合適的分析方式,其它步驟都可以由計算機軟件來完成。由此,研究人員的主要工作就是確定CATIA軟件模型,準備原始數據,整理和分析計算結果。

圖5 地鐵列車六人座椅有限元分析流程

(1) 結合人機工程學原理,運用CATIA軟件建立并分析座椅模型。

(2) 利用ANSYS Workbench軟件進行原始數據輸入和模型求解定義。

(3) 通過ANSYS Workbench軟件進行結果整理和判斷。若評估合格,則設計完成,輸出CATIA軟件模型,否則返回修改模型。

4.2 數據準備

針對兩種不同材料的地鐵列車六人座椅進行對比分析,分別為鋁合金和不銹鋼。材料屬性見表4。

表4 材料屬性

4.3 約束與載荷

在邊界條件處理上,由于具有對稱性,因此只建立1/3模型。采用ANSYS軟件智能劃分網格方式劃分網格,地鐵列車六人座椅有限元網格模型如圖6所示。考慮車體與座椅安裝的實際情況,在車體的上下兩個面施加固定約束,使車體上下兩個面的所有自由度為零。加載過程含有螺栓預緊力和椅面表面壓力加載,為了使模擬過程更加接近實際工況,加載需要分兩步進行。第一步對所有螺栓施加一定大小的預緊力,此處螺栓為M12,按5.6級考慮,施加5 000 N預緊力。第二步按每個人質量70 kg施加載荷,在座椅表面上施加4 200 N均布壓力荷載。載荷和邊界條件如圖7所示。

圖6 地鐵列車六人座椅有限元網格模型

圖7 載荷和邊界條件

4.4 分析結果

通過ANSYS軟件進行有限元分析計算,得到地鐵列車六人座椅位移云圖和等效應力云圖,如圖8～圖11所示。鋁合金座椅變形主要發生在座椅面前圓角處,最大變形量為7.810 6 mm,原因為圓角處無支撐,容易變形。鋁合金座椅受到載荷后,應力主要集中在座椅背面和正面的圓角處,最大應力值為128.79 MPa,因為應力集中主要出現于物體形狀急劇變化的部位。不銹鋼座椅最大變形量為2.831 1 mm,主要變形同樣發生在座椅圓角處,因為圓角處無支撐,容易變形。不銹鋼座椅最大應力值達到128.84 MPa,在受到載荷后應力主要集中在座椅背面和正面的圓角處,拐角處容易產生應力集中。

圖8 鋁合金座椅位移云圖

圖9 鋁合金座椅等效應力云圖

根據EN 12663標準規定,座椅在受到載荷作用時,安全因數應大于標準規定的安全因數,即:

S=Re/σc≥S1

(1)

式中:S為座椅安全因數;Re為座椅材料許用應力;

σc為座椅最大等效應力;S1為規定的標準安全因數,一般取1.15。

由上述有限元分析,計算得到鋁合金座椅最大等效應力為128.79 MPa,不銹鋼座椅最大等效應力為128.84 MPa。將數據代入式(1),鋁合金座椅安全因數為2.64,大于1.15,不銹鋼座椅安全因數為2.32,大于1.15。計算發現,兩種材料的座椅均滿足標準規定的強度要求,鋁合金座椅的安全因數高于不銹鋼座椅。

5 座椅模態分析

通過對地鐵列車六人座椅模型進行模態分析,得到座椅自身的固有特性。在分析過程中,頻帶設置為0～200 Hz,分析結果提取前六階固有頻率和振型。座椅前六階固有頻率見表5,座椅前六階振型如圖12所示。

表5 地鐵列車六人座椅振動固有頻率

圖12 地鐵列車六人座椅前六階振型

由于振型受材料屬性影響較小,受形狀結構影響較大,因此對兩種不同材料的座椅振型不分開討論。通過觀察前六階振型,可知鋁合金座椅的最低固有頻率為49.977 Hz,不銹鋼座椅的最低固有頻率為48.957 Hz,均遠高于車輛的激振頻率,激振頻率一般為4～8 Hz,所以不會與地鐵列車發生共振,不會影響地鐵列車的正常行駛。

6 結束語

地鐵列車座椅作為必不可少的設備,設計過程中既要考慮乘客的安全,又要考慮乘客的生理機能,還需要考慮材料的選擇和私人、公共空間的處理等。筆者利用人機工程學原理設計地鐵列車六人座椅的參數,通過有限元方法分別對鋁合金座椅和不銹鋼座椅進行強度校核。

通過人機工程學原理,確定座椅靠背高度為565 mm,座深為420 mm,靠背與座椅面夾角為105°。

經過計算得出鋁合金座椅安全因數更高。經過模態分析可得,兩種材料座椅振動頻率遠高于車輛的激振頻率,兩種材料座椅的強度均能滿足標準要求。在此基礎上,綜合考慮重力、耐腐蝕性等性能,鋁合金作為座椅材料是更好的選擇。

由于篇幅所限,筆者更側重于研究地鐵列車座椅的機械設計方法,僅考慮座椅材料的一般力學特性,未考慮座椅材料的耐腐蝕和耐高溫特性。針對鋁合金和不銹鋼兩種材料,后續將研究耐腐蝕和耐高溫特性。