地铁车辆座椅骨架结构强度分析及其优化

周立刚 陈太晓 唐龙和

摘要：近几年，伴随着各个城市地铁建设的兴盛，地铁运营安全问题越来越受到各个方面的关注，因此给设计研究人员提出了更高的要求，使得相关研究领域有了更加广阔的发展空间。

关键词：地铁车辆座椅;骨架结构;强度;优化

目前，轨道列车行业发展迅速，在地铁车辆众多的内部结构中，车辆座椅骨架是其中一个重要的组成部分。座椅是一个复杂的空间结构，座椅骨架设计直接关系到乘客在乘坐地铁时的安全性和舒适性，如果座椅骨架结构设计不合理则会引起座椅在承载情况下出现强烈振动，存在安全隐患，所以各大轨道车辆公司对地铁车辆座椅骨架的轻量化和安全性等方面的要求越来越高，同时对座椅骨架的设计、研究与开发也越来越重视。

1.建立座椅骨架的有限元模型

1.1建立座椅骨架模型

地铁车辆座椅骨架为3人位，由铝合金6063-T5材料制成的座椅框架总成和靠背框架总成等组成。座椅骨架材料为6063-T5铝合金，其屈服强度为145MPa，弹性模量为69000MPa，泊松比为0.33，密度为2700kg/m3，抗剪模量為25800MPa。采用ANSYS之中的智能划分网格的方式（SmartSize）划分网格，选用标准实体网格，雅可比点为4，单元巨细为15.9437mm，公差为0.797187mm，最大高宽比为155.03。在螺栓毗邻处以及靠背框架背面与侧筋板后面施加固定约束进行有限元分析。

1.2载荷分析

车辆座椅为3人位，因此按3个人的总重量考虑，再考虑到地铁的运动状态，所以动载荷每个人按照3倍载荷进行计算。每个人的重量按照65kg计算，重力加速度按照10m/s2计算，则施加在座椅骨架上的静载荷为1950N、动载荷为5850N。座椅结构设计时在座椅框架上均布有8个垫片，将此载荷均匀地加在这8个垫片上。

1.3评定标准

本文车辆座椅骨架强度评定标准采用欧洲标准《铁道车辆车体结构要求》（EN12663）。根据标准EN12663，地铁车辆座椅骨架在载荷综合作用下材料的许用应力Rρ0.2与计算等效应力σc之比应不小于EN12663中规定的安全系数St[3-5]，即：

Rρ0.2/σc≥St.

2.座椅骨架有限元仿真及结构修改

2.1原座椅骨架强度

利用ANSYSWorkbench软件导入igs格式模型，针对座椅骨架结构进行强度校核设计。施加静、动载荷来模拟实际情况，以检验座椅结构在施加载荷的情况下是否满足结构强度要求。最大变形位于座椅对称中心处，最大位移达到3.0303mm，该处位于两个支架杆跨度最大的位置，产生的弯矩最大，变形最大。按照座椅的结构特点，骨架的背部与车体连接，而下部则处于悬空状态，因此当受到载荷作用时会发生最大变形。

2.2座椅骨架结构修改

上述分析结果表明，危险部位的应力值大于材料的许用应力，遂增加侧面筋板数量，由4个增加到8个，这样可使每个座椅靠背左右两侧均有筋板加持。分析得到结构修改后的座椅骨架等效应力分布云图。结构修改后的座椅骨架最大应力位于连接件支架杆的弯曲处，最大应力值为64.592MPa。修改后的座椅骨架应力值小于材料的许用应力，且在安全范围之内，结构强度完全满足要求。为了优化座椅骨架的整体结构，实现改良后构架强度不变且质量减轻，对其进行了拓扑优化分析。经过拓扑优化后在满足强度要求的条件下其质量减少了30%。

3.故障提出及调查

某地铁项目业主日检时发现客室座椅有多处裂纹，发现故障后，立即成立专项查小组挑选任意两列车辆的客室座椅进行调查，调查结果如下：

3.1横向两人座椅

每列48个，共有6个裂纹，占比6%。

3.2纵向一人座椅

每列12个，共有5个裂纹，占比20.8%。

3.3纵向二人座椅

每列6个，共有4个裂纹，占比33.3%。

3.4纵向三人座椅

每列6个，共有7个裂纹，占比58.3%。

3.5纵向四人座椅

每列1个，共有1个裂纹，占比50%;

3.6纵向五人座椅：

每列1个，共有1个裂纹，占比50%。

从调查结果看，纵向座椅裂纹数量较多。现场调查发现，座椅裂纹位置绝大部分位于座面的中前位置。经过试乘坐，该项目全线运行距离较长，大部分线路为地表行驶，运行时速较其他项目地铁速度快，感受到车辆全线运行过程中一直处于上下振动、颠簸状态。

4.解决方案

4.1纠正处置措施

对于运行车辆上表面胶衣层裂纹及炸纹的座椅，单独对运行的车中选取一辆车进行改进验证。为了更具代表性选取中间一辆车进行验证其中包含四人五人座椅。

4.1.1原件修复

将部分二人座椅，一个三人座椅，四人座椅中有裂纹的座椅进行裂纹修复，修复完成后增加弹性结构，重新安装。此方案主要是为了验证座椅面原件修复后在增加弹性连接的情况下是否会再次裂纹。

4.1.2新制座椅和增加弹性连接

新制座椅面，新制横向二人座椅两个，一个三人座椅，一个五人座椅及一个一人座椅，更换原裂纹座椅并且增加弹性连接，此方案主要是为了验证新制座椅面在增加弹性连接的情况下是否会再次裂纹，新制座椅面时将弹性结构直接加到原座椅结构中。

4.2增加弹性连接方案

4.2.1纵排三人、五人座椅

首先修复座椅面，然后座椅面前端与座椅骨架连接的地方增加橡胶垫厚度为4mm，橡胶垫硬度60左右。如图黄色零件，最后增加补强件以增加接触面积，增大受力面分散局部的集中应力。其次在座椅骨架上用与支撑座椅面的橡胶块原硬度60-70，现将原橡胶块硬度降为40硬度。

4.2.2纵排一人二人座椅

在座椅安装座与座椅安装梁之间加上厚度4mm硬度60的橡胶垫。

4.2.3横排二人座椅

在安装骨架与座椅安装梁之间增加4mm硬度60的橡胶垫。

4.2.4胶黏剂改为弹性胶粘剂

新制的座椅将座椅面上支撑座椅及固定座椅的座椅连接件胶黏剂改为弹性胶粘剂以缓冲来自车体的震动。

以上方案均需要拆卸座椅面，原座椅骨架无需拆卸，增加橡胶垫后为了能达到更好的紧固作用，所有紧固件都需要加螺纹紧固剂。

参考文献：

[1]王亦金.动车组旋转座椅有限元计算分析[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2014，28（4）：33-36.

[2]潘小雨.基于有限元分析的地铁座椅结构优化设计及其实验研究[D].武汉：武汉工程大学，2014：23-24.