地鐵雙人座椅設(shè)計及其有限元實驗分析

李廣軍，錢佳林，王汝佳，李文強

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

地鐵每天都承載著無數(shù)人出行，是一個城市必不可少的交通系統(tǒng)，地鐵的設(shè)計不僅代表了城市的設(shè)計水平，更關(guān)乎著城市公共交通事業(yè)的發(fā)展[1]。近年來，一些學(xué)者對地鐵座椅的設(shè)計進行了研究：魏峰等人[2]通過人機工程學(xué)原理對地鐵客室座椅進行尺寸設(shè)計；蔣天容[3]根據(jù)乘客乘坐地鐵時的感官體驗和情感體驗，優(yōu)化了地鐵內(nèi)飾設(shè)計策略；Se Jin Park等人[4]通過體壓測試和人體測量數(shù)據(jù)評估列車座椅的不舒適度，并分析了列車座椅尺寸；孫麗萍等人[5]利用CATIA軟件仿真技術(shù)對地鐵座椅尺寸進行人機工程學(xué)理論分析；薛大維等人[6]通過ANSYS對客車車架模型進行有限元分析，計算了客車在彎曲工況下的剛度強度并作出評價，為車架設(shè)計提供了理論依據(jù)；童水光等人[7]采用有限元分析叉車車架的動靜特性，計算其在臨界工況下的受力情況，并根據(jù)其振動性能對車架進行了優(yōu)化；王萬林等人[8]以鋁合金車體為例，探討車體的有限元分析方法和結(jié)構(gòu)的整體評估方法，驗證了廣義結(jié)構(gòu)剛度的車體整體結(jié)構(gòu)評估方法的有效性；周馳等人[9]建立了驅(qū)動橋有限元模型，將有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，驗證了驅(qū)動橋系統(tǒng)建模和有限元分析的正確性。

然而，上述研究或側(cè)重于座椅的設(shè)計，或側(cè)重于有限元分析，將人機工程學(xué)設(shè)計與有限元分析結(jié)合起來進行研究的并不多；因此，本文將人機工程學(xué)設(shè)計座椅和有限元校核座椅強度結(jié)合在一起，通過有限元分析，對鋁合金座椅和不銹鋼座椅進行對比研究。

1 地鐵座椅的設(shè)計步驟

運用CATIA建立座椅三維模型，通過CATIA中的人機工程學(xué)設(shè)計與分析模塊進行舒適度評估。如圖1所示為研究的具體流程：（1）依據(jù)人機工程學(xué)原理和設(shè)計所需的人體尺寸，進一步確定地鐵座椅的尺寸參數(shù)；（2）根據(jù)所確定的尺寸參數(shù)，通過CATIA三維軟件建立地鐵座椅的三維模型；（3）通過CATIA中的人機工程學(xué)設(shè)計與分析模塊置入假人模型；（4）根據(jù)人體姿態(tài)舒適度分析評估舒適值，若評估結(jié)果合格則設(shè)計完成，若評估結(jié)果不合格則返回修改尺寸參數(shù)。

圖1 地鐵座椅人機工程學(xué)設(shè)計流程

圖2 座椅模型截面尺寸

2 地鐵座椅設(shè)計及評價

2.1 地鐵座椅參數(shù)設(shè)計

人機工程學(xué)采用系統(tǒng)的科學(xué)方法研究人-機-環(huán)境三要素間的關(guān)系[10]，考慮到人體機能和乘客的舒適感，人機工程學(xué)研究方法在工業(yè)設(shè)計中已得到廣泛應(yīng)用。

參考我國地鐵座椅設(shè)計尺寸選取原則以及座椅設(shè)計所需要的人體尺寸[11]，可以得出：（1）18~60歲第95百分位男女最大坐姿臀寬為382 mm，最大坐姿兩肘間寬為489 mm，再考慮穿著及其他各種因素，可確定設(shè)計的雙人座椅寬度取1 000 mm；（2）18~60歲第5百分位男女坐姿小腿加足高最大為383 mm，坐深最大為421 mm，坐姿肩高最大為557 mm，由此可以確定該雙人座椅座面高度取400 mm，座椅深度可取值420~450 mm之間。該座椅設(shè)計的靠背為無頭靠式靠背，為了符合人體脊背正常的生理曲線，座椅高度設(shè)計為510 mm，靠背的高度設(shè)計為268 mm，這樣能夠達到支撐人體的最佳效果；此外，靠背與座椅面的夾角為105°，從而能夠更好地滿足舒適度要求。如圖2所示，為根據(jù)上述參數(shù)通過CATIA的草圖繪制命令畫出的雙人座椅截面尺寸。

本文設(shè)計的座椅為地鐵橫排雙人座椅，其主要由上部分的座椅面和下部分的骨架組成，座椅四個腳通過螺栓與地鐵地面固定連接。根據(jù)所確定的尺寸參數(shù)，通過CATIA建立三維模型，如圖3所示為完整的座椅模型。

圖3 地鐵座椅模型

2.2 座椅模型舒適度評價

利用CATIA人機工程學(xué)設(shè)計與分析模塊，構(gòu)建不同百分位人體模型。如圖4所示，為導(dǎo)入人體模型的地鐵座椅模型。在地鐵雙人座椅模型中導(dǎo)入第P95男性人體模型、第P5女性人體模型，通過對人體擺姿勢，利用該模塊中的“Edits the angular limitations and the preferred angles”命令，對座椅模型的舒適性進行評估。

如圖5所示，為評估方法。其中：右擊“add”可添加劃分的區(qū)域；右擊“Color”可添加區(qū)域內(nèi)的顏色；右擊“Score”可對各角度區(qū)域?qū)?yīng)的舒適度設(shè)置分值。

圖4 導(dǎo)入人體模型的地鐵座椅模型

圖5 利用百分位數(shù)設(shè)置角度界限

根據(jù)表1人體主要關(guān)節(jié)活動范圍，可設(shè)置首選角度。其中：舒適角度范圍顯示為綠色，設(shè)置分值為98分；次舒適角度范圍顯示為藍色，設(shè)置分值為90分；不舒適角度范圍顯示為黃色，設(shè)置分值為70分；非常難受角度范圍顯示為紅色，設(shè)置分值為60分。

表1 人體主要關(guān)節(jié)活動范圍

如圖6、圖7所示，經(jīng)評估依次得出P95男性和P5女性坐姿舒適度評估結(jié)果。通過人體模型姿態(tài)舒適度分析，顯示該雙人座椅的舒適值分別為97.3%和95.5%。分析結(jié)果表明：地鐵雙人座椅的設(shè)計符合人體舒適度要求，即地鐵客室座椅設(shè)計合理。

圖6 P95男性坐姿舒適度評價結(jié)果

圖7 P5女性坐姿舒適度評價結(jié)果

3 地鐵座椅模型靜力學(xué)分析

3.1 建立有限元模型

將CATIA中建立好的座椅幾何模型導(dǎo)入到ANSYS中。（1）選擇單元類型。由于地鐵座椅模型相對比較復(fù)雜，因此，采用3D實體單元solid 20 node 186進行有限元模擬分析。這樣，在劃分相對較少的網(wǎng)格數(shù)量情況下，能夠具有較高的計算精度。（2）輸入材料屬性。本研究針對兩種不同材料的地鐵座椅進行對比分析，分別對鋁合金座椅和不銹鋼座椅進行有限元分析，在前處理時分別輸入相應(yīng)材料的彈性模量和泊松比。鋁合金與不銹鋼的材料屬性如表2所示。（3）進行網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格邊長為10 mm，劃分六面體網(wǎng)格，總共生成215 795個單元和364 689個節(jié)點。如圖8所示為地鐵座椅的有限元模型。

表2 鋁合金與不銹鋼的材料屬性

圖8 地鐵座椅有限元模型

3.2 施加約束與載荷

由于雙人地鐵座椅的四個腳與地鐵地面固定連接，因此，在施加約束條件時對地鐵座椅四個腳底面施加全約束，即約束X軸、Y軸、Z軸方向上的位移量均為0。模擬人乘坐時的重量，對座椅模型施加均布載荷[12]。該座椅為雙人座椅，在施加載荷時應(yīng)按兩個人的重量考慮，每個人的重量按90 kg計算，再考慮到人在乘坐時面向地鐵運行的方向以及地鐵的運動狀態(tài)，得出座椅靠背會承受人體重量的1.5倍載荷[13]。則施加在座椅面上的載荷為1 800 N，施加在座椅靠背上的載荷為2 700 N；換算成壓強單位即施加在座椅面上的均布載荷為4.89×10-3MPa，施加在座椅靠背上的載荷為1.385×10-2MPa。

3.3計算結(jié)果

分別對鋁合金座椅和不銹鋼座椅進行強度校核，通過ANSYS軟件有限元分析計算，得到座椅模型的位移云圖和等效應(yīng)力云圖。如圖9鋁合金座椅位移云圖顯示，變形主要發(fā)生在座椅靠背部位，最大變形量為7.637 87 mm。這是因為靠背后方無支撐點，在受到垂直載荷后座椅面和靠背連接處產(chǎn)生較大彎矩，使之更容易發(fā)生變形。如圖10鋁合金座椅局部等效應(yīng)力云圖顯示，座椅在受到載荷后，應(yīng)力主要集中在座椅的腿部，這部分因幾何形狀不連續(xù)而更容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，其中，支撐架與底座連接的關(guān)節(jié)處達到最大應(yīng)力值198.56 MPa，當(dāng)座椅面上受到垂直載荷時，更容易產(chǎn)生較大的彎矩。

如圖11所示，為不銹鋼座椅位移云圖，圖中顯示座椅模型最大變形量為2.787 6 mm，主要變形同樣發(fā)生在座椅靠背部位。如圖12所示，為不銹鋼座椅局部等效應(yīng)力云圖，圖中顯示最大應(yīng)力達到201.651 MPa，同樣，座椅在受到載荷后應(yīng)力主要集中在座椅腿部。

圖9 鋁合金座椅位移云圖

圖10 鋁合金座椅局部等效應(yīng)力云圖

圖11不銹鋼座椅位移云圖

圖12 不銹鋼座椅局部等效應(yīng)力云圖

座椅在載荷作用下，其安全系數(shù)應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)，即：

式中：S表示座椅的安全系數(shù)；Re表示座椅材料的許用應(yīng)力；σc表示座椅最大等效應(yīng)力；S1表示標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)（一般取1.15）[14]。

由上述有限元分析計算得出：鋁合金座椅最大等效應(yīng)力為198.56 MPa；不銹鋼座椅最大等效應(yīng)力為201.651 MPa。將數(shù)據(jù)代入上述公式得到：S鋁合金=1.71>1.15；S不銹鋼=1.48>1.15。結(jié)果顯示，以上兩種材料的座椅均能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強度要求，但鋁合金座椅的安全系數(shù)要高于不銹鋼座椅。

4 地鐵座椅模型模態(tài)分析

模態(tài)分析前處理與靜力學(xué)分析幾乎一致，先選擇單元類型，然后輸入材料的彈性模量、泊松比以及密度，再劃分網(wǎng)格對座椅的四個腳施加全約束，對模型進行模態(tài)分析，得到該座椅本身的固有特性。在分析過程中，頻帶設(shè)置為0~200 Hz，分析結(jié)果取前12階固有頻率和振型。如表3所示，為座椅前12階固有頻率。

表3 座椅模型振動固有頻率

如圖13所示，依次為座椅模型一到十二階振型圖。由于振型受材料屬性影響較小，受模型的形狀結(jié)構(gòu)影響較大，所以，對于兩種不同材料的座椅振型不作分開討論。從圖13可以看出：前三階頻率較低，座椅未發(fā)生明顯的變形，最大振幅為0.280 6 mm；第四階座椅面略微向下凹陷，最大振幅為0.174 7 mm；第五階座椅面略微向上凸起，最大振幅為0.534 mm；第六到八階座椅面發(fā)生略微的曲折，最大振幅為0.347 6 mm；第九階座椅面發(fā)生輕微的扭曲，最大振幅為0.458 4 mm；第十、十一階座椅面未發(fā)生明顯變化，最大振幅為0.447 1 mm；第十二階變形主要發(fā)生在座椅下橫梁，最大振幅為0.774 6 mm，而座椅面未發(fā)生變化。由于人體感到舒適的振動頻率在豎直方向為4.0~12.5 Hz，水平方向為0.5~2.0 Hz，因此，結(jié)合固有頻率和振型圖不難發(fā)現(xiàn)，地鐵在行駛過程中振動頻率為0~12.5 Hz時，該工況下與座椅所產(chǎn)生的共振不會使座椅發(fā)生較明顯的變形。

5 結(jié)語

地鐵座椅作為地鐵內(nèi)飾中必不可少的設(shè)備，在設(shè)計過程中既要考慮其安全性能，又要考慮乘客的生理機能，在此基礎(chǔ)上還需研究座椅材料的選擇。本文利用人機工程學(xué)原理設(shè)計座椅參數(shù)，并通過有限元分析分別對鋁合金座椅和不銹鋼座椅進行強度校核。計算結(jié)果顯示：鋁合金和不銹鋼兩種座椅強度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但鋁合金座椅安全系數(shù)更高；再綜合考慮重量、耐腐蝕性等因素，應(yīng)將鋁合金作為座椅材料的更好選擇。

圖13 座椅模型前12階振型圖