地铁列车六人座椅的设计与分析

□ 徐祥书 □ 李广军 □ 钱佳林

江苏理工学院 汽车与交通工程学院 江苏常州 213001

1 设计与分析背景

地铁列车已成为城市快速发展过程中必不可少的交通工具,每天都承载着大量乘客出行,地铁列车座椅在地铁运行中起着至关重要的作用[1-2]。对地铁列车座椅进行科学的设计,不仅可以提高地铁列车视觉上的美观和乘车时的舒适度,而且对制造地铁列车座椅成本和使用寿命有一定影响[3-4]。最近几年来,已经有研究人员对地铁列车座椅的设计进行了研究和分析。赵慧等[5]研究了城市双层动车组的座椅在我国城际动车组中推广的可能性及局限性。赖林等[6]以B型地铁列车鼓形车体为模型,通过AutoCAD软件将人机工程学原理应用于客室双人横排座椅的尺寸设计。陈祥等[7]为了提升高速列车乘坐舒适性,对CRH2型高速列车座椅舒适度进行了问卷调查,根据问卷调查结果、中国人体数据、座椅设计理论和人机工程学,应用多元回归分析方法,确定影响座椅舒适度的因素。孙丽萍等[8]利用CATIA计算机三维人机交互软件对地铁列车座椅、扶手进行人机工程学分析,并提出尺寸参考值。丁佳慧等[9]以地铁列车客室零部件为研究对象,运用CATIA软件零件设计模块建立地铁列车客室零部件模型,并利用人机工程学设计与分析模块,模拟乘客现实乘车场景,通过评价乘客不同姿态时的舒适度,分析地铁列车客室零部件模型设计的合理性。范沁红等[10]结合JACK人机工程仿真软件、主观感知舒适度量及压力坐垫,对出口型电力机车司机座椅人机系统进行分析,进而基于人体工程学的座椅靠背设计方法,对座椅靠背形态进行优化,对优化后的座椅靠背人机匹配度进行仿真分析和主客观试验验证。徐江华等[11]通过试验得出乘客在睡眠、使用手机阅读、使用客舱娱乐系统三种行为下的最舒适静态坐姿与最佳压力值,并提出针对性飞机座椅设计方案,提高乘客乘机过程中的舒适度,并基于人机工程学理论方法,结合观察法与压力分布试验,借助SPSS统计软件,得出乘客在三种常见行为下产生的最舒适静态坐姿与对应的最佳压力值。这一设计方法也对高铁乘客座椅、大巴乘客座椅设计有一定的参考价值。

上述学者主要利用人机工程学方法对地铁列车座椅的布局和设计进行研究,仅仅从人机工程学角度研究地铁列车座椅。另一些学者则采用ANSYS有限元分析软件对地铁列车座椅进行研究。李志刚等[12]通过ANSYS软件进行静力学与模态分析,优化结果得到有效验证,为类似结构的设计及优化提供思路。刘客等[13]利用SolidWorks软件建立地铁列车座椅的结构模型,并按标准规定对模型进行受力分析和静动载荷加载,运用ANSYS软件对座椅骨架进行强度分析。王万林等[14]以铝合金车体为例,探讨铝合金车体的有限元分析方法和结构整体评估方法,验证了广义结构刚度车体整体结构评估方法的有效性。吴仲刘等[15]为避免地铁列车运营过程中空气压缩机产生振动,引起车窗、车内座椅及扶杆剧烈振动,对地铁列车进行模态分析及谐响应分析。郭译琛[16]对地铁列车座椅进行了抖动性研究。潘小雨[17]通过有限元分析,对地铁列车座椅进行结构优化设计及试验研究。倪维宇等[18]为实现汽车座椅的轻量化设计,提出一种基于多工况的座椅骨架轻量化设计方法。

综上所述,对地铁列车座椅进行人机工程学设计和有限元分析单独研究的学者很多,但少有人将两者结合起来进行研究。同时,对座椅的有限元分析集中在静载荷或动载荷分析,也未进一步考虑座椅固有频率与车辆振动固有频率的对比分析问题。因此,笔者将人机工程学设计座椅和有限元校核座椅强度结合在一起,对所设计的地铁列车六人座椅进行模态分析,对座椅的固有频率与车辆振动固有频率做对比分析,最后得出制造地铁列车六人座椅铝合金材料优于不锈钢材料的结论。

2 座椅设计

笔者利用CATIA软件的人机工程学分析模块,对地铁列车六人座椅的舒适性进行分析,验证座椅靠背曲线的舒适性,得到人体舒适度评估结果[19]。地铁列车六人座椅设计流程如图1所示。

图1 地铁列车六人座椅设计流程

(1) 根据我国地铁内饰尺寸设计选取原则和所需的人体尺寸,结合人机工程学原理,确定地铁列车六人座椅零部件的参数。

(2) 运用CATIA软件建立并分析地铁列车六人座椅的三维模型。

(3) 通过人体姿态评估舒适度分析评估舒适值,若评估合格,则设计完成,否则返回修改参数。

地铁列车六人座椅设计需要参考我国地铁列车座椅设计尺寸选取原则和座椅设计所需的人体尺寸,选取相应的人体百分位。第95百分位人体尺寸见表1,第5百分位人体尺寸见表2。

表1 第95百分位人体尺寸

表2 第5百分位人体尺寸

根据表1参数,考虑穿着及其它各种因素,可确定所设计的地铁列车六人座椅宽度取3 000 mm。

根据表2可以确定地铁列车六人座椅座面高度取400 mm,座椅深度取420～450 mm。

座椅设计为无头靠式靠背,更加符合人体脊背的生理曲线。靠背的高度设计为565 mm,这样能够达到支撑人体的最佳效果。靠背与座椅面的夹角设计为105°左右。人机工程学座椅模型截面尺寸如图2所示。根据参数,通过CATIA软件草图绘制命令,画出地铁列车六人座椅的截面尺寸。

图2 人机工程学座椅模型截面尺寸

3 座椅模型评价

采用系统的科学方法研究人机环境三要素间的关系[20]。利用CATIA软件的人机工程学设计与分析模块,构建不同百分位的人体模型,基于中国人体标准参数,进行模型分析。导入人体模型如图3所示。在地铁列车六人座椅模型中导入第95百分位男性人体模型、第5百分位女性人体模型,通过对人体设置姿势,利用Edits the angular limitations and the preferredangles命令对座椅模型的舒适度进行评估。设置姿势界面如图4所示。通过add按钮,可以添加划分的区域。通过Color按钮,可以添加区域内的颜色。通过Score按钮,可以对各角度区域对应的舒适度设置分值。舒适角度范围显示为绿色,设置分值为98分。次舒适角度范围显示为蓝色,设置分值为90分。不舒适角度范围显示为黄色,设置分值为70分。非常难受角度范围显示为红色,设置分值为60分。

图3 导入人体模型

图4 设置姿势界面

经评估得出第95百分位男性和第5百分位女性坐姿舒适度评估结果,见表3。通过人体模型姿态分析,显示地铁列车六人座椅评估结果的平均值分别为97.3和95.5。分析结果表明地铁列车六人座椅的设计符合人体舒适度要求,设计合理。

表3 坐姿舒适度评估结果

4 座椅模型静力学分析

4.1 有限元分析流程

利用CATIA软件建立地铁列车六人座椅模型,应用ANSYS Workbench软件对座椅进行有限元分析,具体流程如图5所示。研究人员只需要根据计算原理,选择合适的分析方式,其它步骤都可以由计算机软件来完成。由此,研究人员的主要工作就是确定CATIA软件模型,准备原始数据,整理和分析计算结果。

图5 地铁列车六人座椅有限元分析流程

(1) 结合人机工程学原理,运用CATIA软件建立并分析座椅模型。

(2) 利用ANSYS Workbench软件进行原始数据输入和模型求解定义。

(3) 通过ANSYS Workbench软件进行结果整理和判断。若评估合格,则设计完成,输出CATIA软件模型,否则返回修改模型。

4.2 数据准备

针对两种不同材料的地铁列车六人座椅进行对比分析,分别为铝合金和不锈钢。材料属性见表4。

表4 材料属性

4.3 约束与载荷

在边界条件处理上,由于具有对称性,因此只建立1/3模型。采用ANSYS软件智能划分网格方式划分网格,地铁列车六人座椅有限元网格模型如图6所示。考虑车体与座椅安装的实际情况,在车体的上下两个面施加固定约束,使车体上下两个面的所有自由度为零。加载过程含有螺栓预紧力和椅面表面压力加载,为了使模拟过程更加接近实际工况,加载需要分两步进行。第一步对所有螺栓施加一定大小的预紧力,此处螺栓为M12,按5.6级考虑,施加5 000 N预紧力。第二步按每个人质量70 kg施加载荷,在座椅表面上施加4 200 N均布压力荷载。载荷和边界条件如图7所示。

图6 地铁列车六人座椅有限元网格模型

图7 载荷和边界条件

4.4 分析结果

通过ANSYS软件进行有限元分析计算,得到地铁列车六人座椅位移云图和等效应力云图,如图8～图11所示。铝合金座椅变形主要发生在座椅面前圆角处,最大变形量为7.810 6 mm,原因为圆角处无支撑,容易变形。铝合金座椅受到载荷后,应力主要集中在座椅背面和正面的圆角处,最大应力值为128.79 MPa,因为应力集中主要出现于物体形状急剧变化的部位。不锈钢座椅最大变形量为2.831 1 mm,主要变形同样发生在座椅圆角处,因为圆角处无支撑,容易变形。不锈钢座椅最大应力值达到128.84 MPa,在受到载荷后应力主要集中在座椅背面和正面的圆角处,拐角处容易产生应力集中。

图8 铝合金座椅位移云图

图9 铝合金座椅等效应力云图

根据EN 12663标准规定,座椅在受到载荷作用时,安全因数应大于标准规定的安全因数,即:

S=Re/σc≥S1

(1)

式中:S为座椅安全因数;Re为座椅材料许用应力;

σc为座椅最大等效应力;S1为规定的标准安全因数,一般取1.15。

由上述有限元分析,计算得到铝合金座椅最大等效应力为128.79 MPa,不锈钢座椅最大等效应力为128.84 MPa。将数据代入式(1),铝合金座椅安全因数为2.64,大于1.15,不锈钢座椅安全因数为2.32,大于1.15。计算发现,两种材料的座椅均满足标准规定的强度要求,铝合金座椅的安全因数高于不锈钢座椅。

5 座椅模态分析

通过对地铁列车六人座椅模型进行模态分析,得到座椅自身的固有特性。在分析过程中,频带设置为0～200 Hz,分析结果提取前六阶固有频率和振型。座椅前六阶固有频率见表5,座椅前六阶振型如图12所示。

表5 地铁列车六人座椅振动固有频率

图12 地铁列车六人座椅前六阶振型

由于振型受材料属性影响较小,受形状结构影响较大,因此对两种不同材料的座椅振型不分开讨论。通过观察前六阶振型,可知铝合金座椅的最低固有频率为49.977 Hz,不锈钢座椅的最低固有频率为48.957 Hz,均远高于车辆的激振频率,激振频率一般为4～8 Hz,所以不会与地铁列车发生共振,不会影响地铁列车的正常行驶。

6 结束语

地铁列车座椅作为必不可少的设备,设计过程中既要考虑乘客的安全,又要考虑乘客的生理机能,还需要考虑材料的选择和私人、公共空间的处理等。笔者利用人机工程学原理设计地铁列车六人座椅的参数,通过有限元方法分别对铝合金座椅和不锈钢座椅进行强度校核。

通过人机工程学原理,确定座椅靠背高度为565 mm,座深为420 mm,靠背与座椅面夹角为105°。

经过计算得出铝合金座椅安全因数更高。经过模态分析可得,两种材料座椅振动频率远高于车辆的激振频率,两种材料座椅的强度均能满足标准要求。在此基础上,综合考虑重力、耐腐蚀性等性能,铝合金作为座椅材料是更好的选择。

由于篇幅所限,笔者更侧重于研究地铁列车座椅的机械设计方法,仅考虑座椅材料的一般力学特性,未考虑座椅材料的耐腐蚀和耐高温特性。针对铝合金和不锈钢两种材料,后续将研究耐腐蚀和耐高温特性。