深圳地铁11号线车辆商务车厢座椅]的强度分析与优化设计

吴俊杰，王雁东，李振阳，郭海洋

(中车株洲电力机车有限公司工业设计研究所，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，地铁车辆在民众日常出行中扮演着越来越重要的角色，对客室内装设计的个性化要求也不断提高。深圳地铁11号线又名机场线，全长约52 km，串联起了多个重点产业集聚区和宝安国际机场，是深圳地铁中的超级换乘线。深圳地铁11号线采用中车株洲电力机车有限公司设计制造的8编组A型列车，设计最高速度为120 km/h，其中6节车厢为普通车厢，另外2节为商务车厢。商务车厢的设计，是为了进一步提升长距离换乘旅客的舒适性，因此在内装设计上也借鉴了动车组列车，设置有行李架、遮阳帘、软包横排座椅等。其中，横排座椅底部完全架空，采用悬臂支座安装在侧墙上。本文对横排座椅不锈钢安装支座进行强度分析，根据有限元仿真结果提出2种不同的改进方案，并重新进行仿真计算和对比分析。

1 项目概述

该项目座椅布置采用横向双人座形式，为了提高乘坐的舒适性，靠垫和坐垫采用软垫外包蒙布的形式，形状按照人体骨架曲线设计，符合人机工程学。座椅两侧设置有可向上翻折的扶手，靠近过道的座椅靠背处布置有可供站立乘客抓握的把手。座椅安装支架采用304不锈钢制成，通过4颗M12×110的六角螺栓悬挂固定在车体侧墙上。座椅三维模型如图1所示。

座椅安装尺寸如图2所示，4个安装孔横向相距220 mm，纵向相距210 mm，下方安装孔距离内装地板面148 mm，安装完成后，椅面距内装地板面440 mm。

相比传统的安装在地板上的支撑座，横排座椅悬臂安装在侧墙上有以下几个优点：保证内装地板的的完整性，避免落地支腿安装时地板开洞之后的密封和防水问题；无落地支腿的结构可以保证乘客最大的脚部活动空间；方便维护座椅下方空间的日常清洁维护。但是，悬臂安装支座的结构受力情况相对较差，成为座椅设计中的重点和难点。

图1 座椅三维模型

单位：mm

2 模型简化

由于原有的座椅三维模型非常复杂，有大量对分析影响很小的特征，直接进行有限元分析工作量巨大。因此，运用SolidWorks三维建模软件对座椅的三维模型进行简化。首先，座椅的强度主要取决于悬臂支座，去掉模型中坐垫、靠垫、扶手等结构可以极大地简化模型；其次，座椅支座上的一些较小的圆角、倒角等特征，也可以进行简化，对分析结果的影响不大；最后，在座椅支座与坐垫连接固定的表面上，设置3个平面，依次记为平面A，平面B和平面C。另外，由断面图可知，为了减重，上方板型材壁厚4 mm，下方管型材壁厚2 mm，中间连接的支架厚3 mm。简化后的座椅支撑座三维模型如图3所示。

图3 座椅支座简化三维模型

3 受力分析

因为座椅在使用过程中，在重力方向上受到的作用力最大，在该方向上发生变形或失效的风险也最大，所以本文主要考虑该方向上的作用力。经过分析，座椅应受到以下4个方面的作用力。

1)座椅的自重。

2)根据标准UIC 566《车体及车体部件的载荷》中规定，每个座位380 mm×220 mm的座位面积上受向下的1 000 N。

3)根据标准TB/T 1335《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中规定，车内设备应能承受任何方向的最大冲击加速度3 g(g=9.81 m/s2)。

4)座椅边缘应能承受竖直向下的载荷400 N。

因此，在平面B和平面C上，均受到竖直向下的作用力200 N(单个座椅自重)、1000 N、600 N(3 g冲击载荷)和400 N，合计每个平面均受到2 200 N的载荷；同时，在平面A上，受到竖直向下的作用力400 N。

4 有限元分析

当分析对象为单一材料的单实体零件，且载荷和约束条件较简单时，可以采用SolidWorks软件自带的SimulationXpress模块进行静应力分析。首先，对模型添加夹具，将螺栓连接处与侧墙紧贴的2个平面完全约束。其次，添加竖直方向的载荷，依据前文分析，分别对3个平面施加400 N、2 200 N和2 200 N的力。夹具和载荷的定义情况如图4所示。最后，定义零件的材料：选取材料为304不锈钢，密度约为7 930 kg/m3，屈服强度为207 MPa，抗拉强度为517 MPa。网格划分是有限元前处理中的重点和难点，很大程度上决定了计算的精度和速度。设置网格密度为良好，单元大小20 mm，公差为1 mm，运行模型进行网格的划分，结果如图5所示。

图4 添加夹具与载荷

图5 划分网格

网格划分完成的同时，有限元计算的结果也通过图表的方式直观显示。支座的应力分布如图6所示， 最大应力为175 MPa，出现在管材弯折处和板材与管材连接的内侧支架处。支座的位移情况如图7所示，最大位移出现在远离约束点的一端，约为1.585 mm。根据指定的参数，该工况下的最小安全系数仅为1.18，若将设计安全系数设置为1.5，则低于设计安全系数的区域，如图8所示，与最大应力出现的区域一致。因此，该设计方案不满足强度要求，需要进行优化设计。

图6 应力分布图

图7 位移图

图8 安全系数图

5 优化设计

通过有限元分析可知，虽然安全系数均大于1，但是考虑实际使用时的复杂工况，局部区域强度不足，可能出现安全隐患，有必要进行结构优化设计，目标是将整体安全系数提高到1.5以上。本文提出以下2种优化方案。

方案一：分析安全系数较低的区域，选择优化的措施为在管材弯折处与板材连接区域增加一个支架，即图9中的支架3。为了有效增大与管材的接触面，支架3的布置方向与原有的2个支架呈90°。对优化后的模型重新进行有限元分析，应力分布情况和位移情况分别如图10和图11所示。可以看到，最大应力由原来的175 MPa减小为90.65 MPa，最大位移由原来的1.585 mm减小为1.286 mm，安全系数提高到了2.28。通过结构优化，在保留原有结构框架的前提下，有效提高了座椅支座的强度，证明该改进方案是有效可行的。

方案二：分析原方案支座为完全悬臂结构，力臂过长，严重影响支座的应力分布和变形情况。因此，考虑通过在支座靠近过道侧增加完全落地的支腿来改善支座的受力情况，优化后的模型如图12所示。由于增加了落地的支腿，须重新对模型进行夹具定义，增加一个支腿底部与地面接触处的固定约束，如图13所示。对优化后的模型重新进行有限元分析，应力分布情况和位移情况分别如图14和图15所示。可以看到，最大应力由原方案的175 MPa减小为41.82 MPa，最大位移由原方案的1.585 mm减小为0.1732 mm，安全系数提高到了4.95。通过落地支腿的增加，非常明显地改善了支座整体的受力和变形情况，说明该优化方案也是有效可行的。

图9 优化后的支座三维模型(方案1)

图10 应力分布图(方案1)

图11 位移图(方案1)

图12 优化后的支座三维模型(方案2)

图13 夹具与载荷重新定义示意图

图14 应力分布图(方案2)

图15 位移图(方案2)

2种优化方案均能够有效改善座椅支座的受力和变形情况，达到将安全系数提高到1.5以上的目标，具体对比情况见表1。其中，优化方案1保留了原方案完全悬臂的安装结构，对整个座椅造型没有影响，保证了内装地板的完整性、乘客的脚部活动空间的最大化和地板清洁维护的便捷性；优化方案2增加了落地安装的支腿结构，对原方案的受力和变形情况的改善程度优于方案1，但是支腿的增加对座椅造型的影响较大，对地板的密封防水性能、乘客脚部活动空间和地板清洁的便捷性造成了影响，同时支腿也会造成整椅重量的明显增加。因此，具体选择哪种优化方案，需要从业主需求、改造成本和项目进程等多方面进行综合考虑。

表1 三种方案仿真结果对比表

6 结语

本文针对深圳地铁11号线车辆横排座椅的结构特点和工况，对该座椅悬臂支座的结构进行了简化和重新建模，基于有限元方法对其进行了强度分析，得到了应力分布、位移和安全系数等相关分析结果，找到了其结构强度最差的位置。

依据分析结果，对支座模型进行了优化，提出了2种不同的优化方案，并重新进行了有限元分析验证。结果表明，2种优化后的模型安全系数均大于1.5，满足给定工况下的使用要求，但是各有优缺点。分析结果对今后类似结构的座椅设计具有积极的指导意义。

本文仅做了在重力方向上的静态载荷作用下的座椅支座强度分析，没有考虑其他方向的静态载荷，也没有考虑在动载荷(冲击载荷、周期载荷等)作用下的疲劳强度，这有待进一步的研究。