基于有限元分析的輕軌車輛座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王媛媛， 李擁軍， 歐士璽， 李麗， 周春艷

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031； 2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

引 言

目前，軌道車輛行業(yè)發(fā)展迅速，在軌道車輛眾多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，車輛座椅是其中一個(gè)重要的組成部分。隨著人們對(duì)軌道車輛座椅結(jié)構(gòu)的輕量化、安全性及舒適性等方面的要求越來(lái)越高，各大軌道公司對(duì)座椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、研究及開(kāi)發(fā)也越來(lái)越重視［1］?？褪易尾贾弥饕捎每v排座椅和橫排座椅兩種形式，也會(huì)在部分區(qū)域布置有可折疊的座椅［2］。中車浦鎮(zhèn)某城市輕軌車輛項(xiàng)目，結(jié)合業(yè)主要求及車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了客室座椅布置形式為橫排座椅，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了客室座椅骨架及安裝結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證座椅骨架及安裝座是否能夠滿足靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度要求，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析及振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

1 座椅結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 座椅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該輕軌車輛車體采用不銹鋼材質(zhì)，客室內(nèi)部采用橫向座椅布置，座椅結(jié)構(gòu)形式共有三種，包括雙人座椅1、雙人座椅2（座椅下部帶砂箱安裝接口）及單人座椅，優(yōu)化設(shè)計(jì)出的座椅結(jié)構(gòu)整體由座椅椅面、座椅骨架、連接骨架（包含座椅支撐座及L型連接件）、座椅下部安裝座等幾部分組成。三種座椅組成及安裝方案類似，以雙人座椅1為例，如圖1所示，座椅骨架通過(guò)L型連接件與安裝滑槽連接，安裝滑槽固定連接在車體側(cè)墻骨架橫梁上；座椅支撐座與座椅下部安裝座連接，座椅下部安裝座固定連接在車體地板上。座椅骨架與座椅下部安裝座材料為不銹鋼，安裝滑槽為鋁合金，具體牌號(hào)及材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性表Tab.1 Table of material properties

圖1 雙人座椅1三維結(jié)構(gòu)模型Fig.1 3D model of double seat 1

1.2 坐標(biāo)系定義及有限元模型建立

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1：2010［3］，坐標(biāo)系X，Y，Z三個(gè)方向如下定義：X向?yàn)檠刂圀w縱向；Y向?yàn)閺目v向?qū)ΨQ面指向設(shè)備一側(cè)；Z向?yàn)閺妮嗆壗佑|面指向設(shè)備。

將在三維設(shè)計(jì)軟件中建立好的座椅三維模型導(dǎo)入有限元處理軟件Hypermesh中，對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用4節(jié)點(diǎn)的殼面體單元［4］，為了減少計(jì)算工作量，在生成模型前考慮網(wǎng)格密度問(wèn)題，網(wǎng)格劃分原則為在保證計(jì)算精度前提下應(yīng)盡量減少網(wǎng)格數(shù)［5］。最終確定整體有限元網(wǎng)格劃分尺寸為4 mm，以雙人座椅1為例，離散后有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為29463，總單元數(shù)為29242。

1.3 計(jì)算載荷工況分析

根據(jù)合同要求及標(biāo)準(zhǔn)UIC 566—1990［6］，在座椅計(jì)算中所考慮的計(jì)算載荷主要包括：縱向載荷F1=1500 N，橫向載荷F2=750 N，垂直向下載荷F3=1000 N。并考慮三個(gè)方向的加速度，其中縱向沖擊為5g，橫向沖擊為1g，垂向沖擊為C，垂向沖擊分為兩種情況，一種是取C= 3（座椅在客車端上），一種是取C= 1.5（座椅在客車中心）。表2詳細(xì)列出了座椅及安裝座強(qiáng)度計(jì)算工況。圖2為S1，S2，S3各工況載荷加載及邊界條件約束（以雙人座椅1為例）。工況S4～S7邊界條件約束跟工況S1，S2，S3相同?？紤]到車體與座椅安裝的實(shí)際情況，需要約束側(cè)面（與車體側(cè)墻連接）與底面（與車體地板連接）的所有自由度，即安裝位置全約束。

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation conditions

圖2 載荷加載及邊界條件約束（雙人座椅1）Fig.2 Constraint of load and boundary conditions （double seat 1）

1.4 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 座椅靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

座椅強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)歐洲標(biāo)椎BS EN 12663-1：2010［3］的規(guī)定執(zhí)行。座椅應(yīng)在載荷工況作用下，材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12663-1：2010中第5.4.2 節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)S1［7-8］。即：

式中Rp0.2為材料許用應(yīng)力，σc為計(jì)算等效應(yīng)力，規(guī)定中取S1為1.15。

1.4.2 座椅疲勞強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

采用疲勞分析中的疲勞極限法，根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)下線彈性結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果，結(jié)合材料S-N曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析。疲勞極限是一個(gè)應(yīng)力程度，如果所有動(dòng)態(tài)應(yīng)力均低于它，在該應(yīng)力程度時(shí)就不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。疲勞計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)EN 1993-1-9：2005［9］中第8節(jié)詳細(xì)方法，從焊縫單元中提取方向應(yīng)力及剪切應(yīng)力進(jìn)行焊縫疲勞壽命評(píng)估。計(jì)算出的焊縫疲勞利用系數(shù)值UF小于或者等于1時(shí)滿足要求。

2 有限元仿真結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析計(jì)算，得到了座椅結(jié)構(gòu)的有限元仿真結(jié)果。表3為雙人座椅1在7種工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果詳細(xì)數(shù)據(jù)。幾種工況下應(yīng)力分布類似，最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在座椅下部安裝座以及座椅骨架與安裝滑槽連接區(qū)域。

表3 強(qiáng)度計(jì)算詳細(xì)數(shù)據(jù)（雙人座椅1）Tab.3 Detail data for strength calculation （double seat 1）

座椅結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向加載工況（編號(hào)S1）下座椅下部安裝座兩側(cè)立面，此面是與載荷方向垂直的受力面。下部安裝座和安裝滑槽應(yīng)力云圖如圖3-4所示。下部安裝座最大應(yīng)力值σmax=447.983 MPa，安裝座材料為不銹鋼SUS 301L，許用應(yīng)力為515 MPa，安全系數(shù)SF=1.15，滿足安全要求。安裝滑槽最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接骨架緊固點(diǎn)區(qū)域，最大應(yīng)力值σmax=145.13 MPa，安裝座材料為鋁合金6005A-T6，許用應(yīng)力為215 MPa，安全系數(shù)SF=1.48，滿足設(shè)計(jì)要求。幾種工況下應(yīng)力分布類似，高應(yīng)力區(qū)集中在下部安裝座兩側(cè)立面，以及L型連接件與安裝滑槽之間相連接區(qū)域。限于篇幅，其他工況應(yīng)力云圖未列出。經(jīng)過(guò)分析，幾種座椅結(jié)構(gòu)均在縱向載荷工況下應(yīng)力最大，但是安全系數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 下部安裝座應(yīng)力云圖（雙人座椅1）Fig.3 Stress nephogram of lower mounting seat （double seat 1）

圖4 安裝滑槽應(yīng)力云圖（雙人座椅1）Fig.4 Stress nephogram of mounting chute （double seat 1）

2.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

疲勞計(jì)算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 1993-1-9：2005［9］中第8節(jié)提供的詳細(xì)方法，計(jì)算結(jié)果得知，疲勞工況應(yīng)力較大部位在座椅下部安裝座與支撐筋的焊縫區(qū)域。圖5為下部安裝座疲勞云圖，焊縫疲勞利用系數(shù)UF為0.874，小于1，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 下部安裝座焊縫疲勞云圖Fig.5 Fatigue nephogram of lower mounting seat

3 強(qiáng)度試驗(yàn)

為驗(yàn)證座椅強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，包括靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、強(qiáng)度落球試驗(yàn)等。其中靜載試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)UIC 566—1990［6］進(jìn)行，試驗(yàn)在完整的座椅上實(shí)施；疲勞試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)NF F 31-119—1995［10］的要求；振動(dòng)沖擊試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373：2010［11］中規(guī)定的沖擊和振動(dòng)要求。本文內(nèi)容重點(diǎn)考察座椅骨架及連接安裝座是否滿足強(qiáng)度要求，重點(diǎn)分析振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

3.1 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)條件

試驗(yàn)以雙人座椅為受試樣品，按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373：2010［11］中1類A級(jí)試驗(yàn)條件的要求進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，每個(gè)座椅加載70 kg載荷進(jìn)行試驗(yàn)。

按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373：2010［11］關(guān)于車體安裝1類A 級(jí)設(shè)備的規(guī)定，功率譜密度曲線如圖6所示。設(shè)備質(zhì)量與頻率取值對(duì)應(yīng)關(guān)系即模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)條件如表4所示。

圖6 1類A級(jí)車身安裝設(shè)備的ASD頻譜曲線Fig.6 ASD spectral curve for 1 class A body mounting equipment

表4 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)條件Tab.4 Simulation long life test conditions

當(dāng)質(zhì)量m≤500 kg，f1=5 Hz，f2=150 Hz ；

當(dāng)質(zhì)量500 kg＜m≤1250 kg，f1=（1250/m）×2 Hz，f2=（1250/m）×60 Hz；

當(dāng)質(zhì)量m＞1250 kg，f1=2 Hz，f2=60 Hz。

座椅結(jié)構(gòu)樣品質(zhì)量：m=150 kg＜500 kg，確定f1=5 Hz，f2=150 Hz。

沖擊試驗(yàn)條件和功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件分別如表5和表6所示。

表5 沖擊試驗(yàn)條件Tab.5 Impact testing conditions

表6 功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.6 Functional random vibration test conditions

試驗(yàn)三個(gè)方向按照橫向→縱向→垂向的順序進(jìn)行，試驗(yàn)順序按照試驗(yàn)前外觀、結(jié)構(gòu)檢查→模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)→外觀、結(jié)構(gòu)檢查→沖擊試驗(yàn)→外觀、結(jié)構(gòu)檢查→功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)→試驗(yàn)后外觀、結(jié)構(gòu)檢查進(jìn)行性能考核。圖7為振動(dòng)沖擊縱向方向試驗(yàn)安裝圖。

圖7 座椅結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)Fig.7 Vibration impact test of seat structure

3.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分別得到橫向、縱向、垂向三個(gè)方向上模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)圖譜、正沖擊試驗(yàn)圖譜、負(fù)沖擊試驗(yàn)圖譜、縱向功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜。限于篇幅，以縱向方向?yàn)槔M(jìn)行分析?？v向方向試驗(yàn)結(jié)果圖譜如圖8～11所示。觀察圖譜可知，座椅結(jié)構(gòu)在縱向方向模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)譜曲線、縱向正沖擊曲線、縱向負(fù)沖擊曲線、縱向功能性隨機(jī)振動(dòng)曲線在標(biāo)稱值附近變化，且都在振動(dòng)頻譜上、下界限內(nèi)，無(wú)試驗(yàn)偏差數(shù)據(jù)出現(xiàn)，座椅結(jié)構(gòu)正常功能未受影響。橫向、垂向方向試驗(yàn)圖譜也均滿足要求。

圖8 縱向模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)圖譜Fig.8 Longitudinal simulation long life test diagram

圖9 縱向正沖擊試驗(yàn)圖譜Fig.9 Longitudinal impact test diagram （positive direction）

圖10 縱向負(fù)沖擊試驗(yàn)圖譜Fig.10 Longitudinal impact test diagram （negative direction）

圖11 縱向功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)圖譜Fig.11 Longitudinal functional random vibration test diagram

各項(xiàng)試驗(yàn)后，在室溫下對(duì)樣品外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面目視檢查，與試驗(yàn)前相比，樣品外觀和機(jī)械結(jié)構(gòu)完好，無(wú)機(jī)械位移或損壞，無(wú)永久變形，無(wú)裂紋，座椅結(jié)構(gòu)滿足軌道車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合業(yè)主要求及車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了客室座椅骨架及其安裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)合同及標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了計(jì)算載荷，對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)。提供了座椅結(jié)構(gòu)研發(fā)包含的強(qiáng)度試驗(yàn)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為軌道車輛座椅產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

重點(diǎn)對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行分析，考察座椅骨架及連接安裝座在實(shí)際振動(dòng)和沖擊環(huán)境下是否滿足強(qiáng)度要求。試驗(yàn)后座椅結(jié)構(gòu)完好，未出現(xiàn)影響正常使用的機(jī)械位移或損壞，座椅結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

座椅產(chǎn)品的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，也驗(yàn)證了本文有限元分析結(jié)果的有效性和方法可行性。同時(shí)，將有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法引入軌道車輛座椅的設(shè)計(jì)，可為地鐵座椅設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一種快速有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，為今后座椅輕量化、安全性及舒適性設(shè)計(jì)提供參考。