铝合金扶手杆的结构设计

周强　赵风启

摘要：扶手是城轨车辆必不可少的组成部分，能起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用。文章选取北京S1线磁浮列车的中立柱铝合金扶手杆作为分析对象，通过有限元仿真试验研究扶手杆几何设计参数对铝合金扶手杆强度的影响，为扶手设计提供理论依据。

关键词：城轨车辆；铝合金扶手杆；有限元方法；结构设计；磁浮列车 文献标识码：A

中图分类号：O346 文章编号：1009-2374（2016）16-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.004

城市轨道列车是一种运行于城市内部的快速、大运量的轨道车辆，具有优越的疏通客流的能力，车辆内部装饰和设备根据客流量进行布置。为了能够提高客运能力，适应轨道交通短途、大运量的特点，车辆内部只布置座椅和扶手，因此扶手是城轨车辆中重要的内装部件。在车辆正常启动、停车以及紧急制动的时候，扶手起到维持乘客站立平衡和缓解乘客疲劳的作用，其布局和结构形式多种多样。在客流高峰时期，中立柱扶手杆上抓扶的乘客数量很多，导致扶手杆承受较大的冲击力。因此在扶手的结构设计中，会重点考虑扶手杆的强度、刚度性能，要求扶手杆能满足一定的静态载荷而不产生永久变形、断裂等问题。

在实际应用中，扶手杆多采用不锈钢管制成，其直径一般在32～38mm之间。不锈钢管表面多采用拉丝电涌或喷砂点解抛光处理。

铝合金材质的扶手杆在国内城轨车辆领域应用比较少，主要原因在于普通工业用铝合金的力学性能弱于不锈钢，且表面处理比较困难。现有的城轨车辆中，铝合金扶手多采用阳极氧化进行表面处理。但是铝合金有着不锈钢无法比拟的优势：重量轻、易成型。

有限元分析作为一种辅助设计手段，在城轨车辆的强度分析中已有应用。参考文献[1]根据标准《客车车体及其构件的载荷》（UIC 566-1990）中规定的“扶手纵向、水平和垂直三个方向的载荷大于750N”，结合上海轨道交通11号线车辆扶手结构，对地铁车辆的受力最恶劣的座椅侧扶手进行强度分析计算，结果表明铝合金材质具有轻量化、易成型的优点，并且得出在给定的工况条件下，该扶手结构满足强度要求。参考文献[2]以广州地铁6号线车辆铝合金扶手结构设计为例，利用ANSYS Workbench仿真软件建立了顶部扶手的数值分析模型，论述了该模型的约束和加载情况，并通过应力应变分析，得出了最后的计算结果。结果表明，利用有限元分析可以缩短设计和验证周期，避免多次试验不合格再修改设计进行验证的情况。如此既可以节约时间，又可以节省试验费，提高设计效率。

但是这些研究基本上都是在铝合金扶手杆几何尺寸不变的条件下进行的强度验证试验，极少涉及铝合金扶手杆几何设计参数最优取值的问题。

本文在前人研究的基础上，以大量的实验数据为依据，结合自己的研发设计工作：分析了铝合金扶手杆外径D和壁厚ξ对扶手杆应力应变的影响趋势，在满足强度要求的条件下，寻求D和ξ的最优取值；讨论了增强铝合金扶手杆强度的其他结构设计方式。

1 壁厚和直径对扶手杆强度的影响

1.1 扶手杆模型描述

磁浮列车是一种新型交通工具，利用磁力使车体浮离地面，跟地面保持一定距离，保持磁浮的状态，再利用电机推进，就像一架超低空飞机贴近特殊的轨道运行。磁浮列车不同于一般的城轨、地铁车辆，轻量化是磁浮车辆永恒的主题之一。

唐车公司研发生产的中低速磁浮列车对车内设备的重量提出了比较苛刻的要求。为了达到轻量化的要求，车辆的各部件都要求在满足性能需求的前提下尽可能减轻重量。因此，相对于不锈钢材质的扶手，铝合金扶手是一种不错的设计方案。

本文拟采用的材料为7020A-T6，符合GB/T 6892-2006标准要求。

材料常数如表1所示：

车内所采用的铝合金扶手杆，杆长2100mm，为薄壁空腔圆管。试样外径设为D，壁厚设为ξ；扶手杆局部最大应力设为σ，安全系数S=δs/σ，根据《客车车体及其构件的载荷》（UIC 566-1990），要求最小安全系数S大于1.1。

1.2 建立数值分析模型

1.2.1 网格划分。在ANSYS Workbench环境中导入外部几何结构，采用Solid六面体单元离散，构建整体结构的详细分析模型。扶手杆采用扫掠的方法进行网格划分，如图1所示：

1.2.2 约束及加载。计算中采用实际的约束方式，即扶手杆两端的6个自由度完全约束。

加载方面，要求：（1）900N的横向负载应用在所有扶手范围内的任何点上，1300N/m的叠加力均匀分布，扶手不允许出现永久变形；（2）900N的垂直负载应用在所有扶手范围内的任何点上，1300N/m的叠加力均匀分布，扶手不允许出现永久变形。

1.3 强度计算与分析

加载后的Von-Mess应力云图如图2所示：

通过大量的仿真计算发现，扶手杆发生应力集中最严重的区域，发生在扶手杆两端施加约束的地方，如图3所示。在扶手杆的末端，可以通过局部加强来提高强度。

1.3.1 壁厚ξ对扶手杆局部最大应力σ的影响。在外径D为32～38mm，壁厚分别为1～4mm的49种铝合金扶手杆试样上进行试验、计算，得到的扶手杆局部最大应力σ随ξ的变化情况如图4所示：

从图4可以看出：（1）在外径D一定的条件下，ξ是影响扶手杆强度的一个主要因素。σ随着ξ的增大而逐渐的减小。当ξ小于2.5mm的时候，局部应力集中的变化幅度非常大，变化幅度接近100～140MPa/0.5mm；但随着ξ的逐渐增大，使得扶手杆的承载能力得到加强，应力集中明显削弱。当ξ为2.5～4mm时，试样局部最大应力趋于稳定。（2）在ξ一定的条件下，σ随D的增大而逐渐减小，但变化不大，基本都在5～10MPa/mm，说明扶手杆外径D对应力集中的影响程度很小。

1.3.2 ξ对S的影响。

从图5可以看出：

当D=32mm，ξ>4mm；D=33mm，ξ>3.8mm；D=34mm，ξ>3.5mm；D=35mm，ξ>3mm；D=36mm，ξ>2.5mm；D=37mm，ξ>2.2mm；D=38mm，ξ>2mm时，S>1.1，符合设计要求。其他情况不能够满足强度要求。

从试验数据可以得出，ξ是影响安全系数的重要因素，0.5mm壁厚差值，就会造成很严重的局部应力集中，产生局部疲劳失效区域，不利于扶手杆的整体强度。

2 扶手杆断面设计

2.1 新型断面设计

铝合金扶手杆与不锈钢扶手杆，除了材质和壁厚不同外，多数情况下采取了同样的设计方式，即空腔薄壁结构，如图6所示：

为了增强铝合金管的强度，除了增加壁厚，还可以通过内部加强筋的方式来提高强度，扶手杆型腔断面如图7所示。

2.2 强度计算

在外径D为38mm，如图6、图7所示两种类型的铝合金扶手杆试样上进行试验、计算，得到的扶手杆最大应力σ随ξ的变化情况如图8所示：

从图8可以看出，增加加强筋后，铝合金管的抗疲劳强度大大增强。

3 结语

综上所述，所得到的结论主要如下：（1）壁厚ξ是影响安全系数S的主要影响因素。ξ对S的影响，主要是因为ξ的变化改变了扶手杆应力集中区域的应力集中程度。ξ减小，扶手杆两端的应力集中加剧；ξ增大，应力集中减弱，故ξ越小越不利于扶手杆的抗疲劳能力。（2）外径D对安全系数S有一定的影响，但是影响不大。（3）本文中，内部加强筋是增加铝合金扶手杆强度的有效方式，加强筋的使用避免了单一的通过增加壁厚来提高强度的单一方式，而且强度更高。

参考文献

[1] 李振阳，郭海洋.上海轨道交通11号线车辆侧扶手强度分析[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（3）.

[2] 马维莲，张克姝.有限元分析在城轨车辆扶手结构设计中的应用[J].沿海企业与科技，2011，（12）.

[3] 张光伟，韩志卫.北京地铁八通线地铁车体开发设计[J].铁道车辆，2005，43（11）.

[4] 陆娟，洪荣晶，朱状瑞.铝合金地铁车体零件有限元模态分析[J].铁道工程学报，2005，（6）.

[5] 岳译新，林文君，雷挺.地铁铝合金车体模态和稳定性有限元分析[J].设计与研究，2008，35（4）.

[6] 一般工业用铝及铝合金挤压型材（GB/T 6892-2006）[S].