地鐵列車六人座椅的設(shè)計(jì)與分析

□ 徐祥書 □ 李廣軍 □ 錢佳林

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

1 設(shè)計(jì)與分析背景

地鐵列車已成為城市快速發(fā)展過程中必不可少的交通工具,每天都承載著大量乘客出行,地鐵列車座椅在地鐵運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用[1-2]。對(duì)地鐵列車座椅進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì),不僅可以提高地鐵列車視覺上的美觀和乘車時(shí)的舒適度,而且對(duì)制造地鐵列車座椅成本和使用壽命有一定影響[3-4]。最近幾年來,已經(jīng)有研究人員對(duì)地鐵列車座椅的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和分析。趙慧等[5]研究了城市雙層動(dòng)車組的座椅在我國(guó)城際動(dòng)車組中推廣的可能性及局限性。賴林等[6]以B型地鐵列車鼓形車體為模型,通過AutoCAD軟件將人機(jī)工程學(xué)原理應(yīng)用于客室雙人橫排座椅的尺寸設(shè)計(jì)。陳祥等[7]為了提升高速列車乘坐舒適性,對(duì)CRH2型高速列車座椅舒適度進(jìn)行了問卷調(diào)查,根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果、中國(guó)人體數(shù)據(jù)、座椅設(shè)計(jì)理論和人機(jī)工程學(xué),應(yīng)用多元回歸分析方法,確定影響座椅舒適度的因素。孫麗萍等[8]利用CATIA計(jì)算機(jī)三維人機(jī)交互軟件對(duì)地鐵列車座椅、扶手進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析,并提出尺寸參考值。丁佳慧等[9]以地鐵列車客室零部件為研究對(duì)象,運(yùn)用CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊建立地鐵列車客室零部件模型,并利用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊,模擬乘客現(xiàn)實(shí)乘車場(chǎng)景,通過評(píng)價(jià)乘客不同姿態(tài)時(shí)的舒適度,分析地鐵列車客室零部件模型設(shè)計(jì)的合理性。范沁紅等[10]結(jié)合JACK人機(jī)工程仿真軟件、主觀感知舒適度量及壓力坐墊,對(duì)出口型電力機(jī)車司機(jī)座椅人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析,進(jìn)而基于人體工程學(xué)的座椅靠背設(shè)計(jì)方法,對(duì)座椅靠背形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)優(yōu)化后的座椅靠背人機(jī)匹配度進(jìn)行仿真分析和主客觀試驗(yàn)驗(yàn)證。徐江華等[11]通過試驗(yàn)得出乘客在睡眠、使用手機(jī)閱讀、使用客艙娛樂系統(tǒng)三種行為下的最舒適靜態(tài)坐姿與最佳壓力值,并提出針對(duì)性飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)方案,提高乘客乘機(jī)過程中的舒適度,并基于人機(jī)工程學(xué)理論方法,結(jié)合觀察法與壓力分布試驗(yàn),借助SPSS統(tǒng)計(jì)軟件,得出乘客在三種常見行為下產(chǎn)生的最舒適靜態(tài)坐姿與對(duì)應(yīng)的最佳壓力值。這一設(shè)計(jì)方法也對(duì)高鐵乘客座椅、大巴乘客座椅設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

上述學(xué)者主要利用人機(jī)工程學(xué)方法對(duì)地鐵列車座椅的布局和設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,僅僅從人機(jī)工程學(xué)角度研究地鐵列車座椅。另一些學(xué)者則采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)地鐵列車座椅進(jìn)行研究。李志剛等[12]通過ANSYS軟件進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析,優(yōu)化結(jié)果得到有效驗(yàn)證,為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供思路。劉客等[13]利用SolidWorks軟件建立地鐵列車座椅的結(jié)構(gòu)模型,并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)模型進(jìn)行受力分析和靜動(dòng)載荷加載,運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)座椅骨架進(jìn)行強(qiáng)度分析。王萬林等[14]以鋁合金車體為例,探討鋁合金車體的有限元分析方法和結(jié)構(gòu)整體評(píng)估方法,驗(yàn)證了廣義結(jié)構(gòu)剛度車體整體結(jié)構(gòu)評(píng)估方法的有效性。吳仲劉等[15]為避免地鐵列車運(yùn)營(yíng)過程中空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng),引起車窗、車內(nèi)座椅及扶桿劇烈振動(dòng),對(duì)地鐵列車進(jìn)行模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析。郭譯琛[16]對(duì)地鐵列車座椅進(jìn)行了抖動(dòng)性研究。潘小雨[17]通過有限元分析,對(duì)地鐵列車座椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。倪維宇等[18]為實(shí)現(xiàn)汽車座椅的輕量化設(shè)計(jì),提出一種基于多工況的座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)方法。

綜上所述,對(duì)地鐵列車座椅進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)和有限元分析單獨(dú)研究的學(xué)者很多,但少有人將兩者結(jié)合起來進(jìn)行研究。同時(shí),對(duì)座椅的有限元分析集中在靜載荷或動(dòng)載荷分析,也未進(jìn)一步考慮座椅固有頻率與車輛振動(dòng)固有頻率的對(duì)比分析問題。因此,筆者將人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)座椅和有限元校核座椅強(qiáng)度結(jié)合在一起,對(duì)所設(shè)計(jì)的地鐵列車六人座椅進(jìn)行模態(tài)分析,對(duì)座椅的固有頻率與車輛振動(dòng)固有頻率做對(duì)比分析,最后得出制造地鐵列車六人座椅鋁合金材料優(yōu)于不銹鋼材料的結(jié)論。

2 座椅設(shè)計(jì)

筆者利用CATIA軟件的人機(jī)工程學(xué)分析模塊,對(duì)地鐵列車六人座椅的舒適性進(jìn)行分析,驗(yàn)證座椅靠背曲線的舒適性,得到人體舒適度評(píng)估結(jié)果[19]。地鐵列車六人座椅設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 地鐵列車六人座椅設(shè)計(jì)流程

(1) 根據(jù)我國(guó)地鐵內(nèi)飾尺寸設(shè)計(jì)選取原則和所需的人體尺寸,結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理,確定地鐵列車六人座椅零部件的參數(shù)。

(2) 運(yùn)用CATIA軟件建立并分析地鐵列車六人座椅的三維模型。

(3) 通過人體姿態(tài)評(píng)估舒適度分析評(píng)估舒適值,若評(píng)估合格,則設(shè)計(jì)完成,否則返回修改參數(shù)。

地鐵列車六人座椅設(shè)計(jì)需要參考我國(guó)地鐵列車座椅設(shè)計(jì)尺寸選取原則和座椅設(shè)計(jì)所需的人體尺寸,選取相應(yīng)的人體百分位。第95百分位人體尺寸見表1,第5百分位人體尺寸見表2。

表1 第95百分位人體尺寸

表2 第5百分位人體尺寸

根據(jù)表1參數(shù),考慮穿著及其它各種因素,可確定所設(shè)計(jì)的地鐵列車六人座椅寬度取3 000 mm。

根據(jù)表2可以確定地鐵列車六人座椅座面高度取400 mm,座椅深度取420～450 mm。

座椅設(shè)計(jì)為無頭靠式靠背,更加符合人體脊背的生理曲線。靠背的高度設(shè)計(jì)為565 mm,這樣能夠達(dá)到支撐人體的最佳效果?？勘撑c座椅面的夾角設(shè)計(jì)為105°左右。人機(jī)工程學(xué)座椅模型截面尺寸如圖2所示。根據(jù)參數(shù),通過CATIA軟件草圖繪制命令,畫出地鐵列車六人座椅的截面尺寸。

圖2 人機(jī)工程學(xué)座椅模型截面尺寸

3 座椅模型評(píng)價(jià)

采用系統(tǒng)的科學(xué)方法研究人機(jī)環(huán)境三要素間的關(guān)系[20]。利用CATIA軟件的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊,構(gòu)建不同百分位的人體模型,基于中國(guó)人體標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),進(jìn)行模型分析。導(dǎo)入人體模型如圖3所示。在地鐵列車六人座椅模型中導(dǎo)入第95百分位男性人體模型、第5百分位女性人體模型,通過對(duì)人體設(shè)置姿勢(shì),利用Edits the angular limitations and the preferredangles命令對(duì)座椅模型的舒適度進(jìn)行評(píng)估。設(shè)置姿勢(shì)界面如圖4所示。通過add按鈕,可以添加劃分的區(qū)域。通過Color按鈕,可以添加區(qū)域內(nèi)的顏色。通過Score按鈕,可以對(duì)各角度區(qū)域?qū)?yīng)的舒適度設(shè)置分值。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(lán)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。

圖3 導(dǎo)入人體模型

圖4 設(shè)置姿勢(shì)界面

經(jīng)評(píng)估得出第95百分位男性和第5百分位女性坐姿舒適度評(píng)估結(jié)果,見表3。通過人體模型姿態(tài)分析,顯示地鐵列車六人座椅評(píng)估結(jié)果的平均值分別為97.3和95.5。分析結(jié)果表明地鐵列車六人座椅的設(shè)計(jì)符合人體舒適度要求,設(shè)計(jì)合理。

表3 坐姿舒適度評(píng)估結(jié)果

4 座椅模型靜力學(xué)分析

4.1 有限元分析流程

利用CATIA軟件建立地鐵列車六人座椅模型,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)座椅進(jìn)行有限元分析,具體流程如圖5所示。研究人員只需要根據(jù)計(jì)算原理,選擇合適的分析方式,其它步驟都可以由計(jì)算機(jī)軟件來完成。由此,研究人員的主要工作就是確定CATIA軟件模型,準(zhǔn)備原始數(shù)據(jù),整理和分析計(jì)算結(jié)果。

圖5 地鐵列車六人座椅有限元分析流程

(1) 結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理,運(yùn)用CATIA軟件建立并分析座椅模型。

(2) 利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)輸入和模型求解定義。

(3) 通過ANSYS Workbench軟件進(jìn)行結(jié)果整理和判斷。若評(píng)估合格,則設(shè)計(jì)完成,輸出CATIA軟件模型,否則返回修改模型。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

針對(duì)兩種不同材料的地鐵列車六人座椅進(jìn)行對(duì)比分析,分別為鋁合金和不銹鋼。材料屬性見表4。

表4 材料屬性

4.3 約束與載荷

在邊界條件處理上,由于具有對(duì)稱性,因此只建立1/3模型。采用ANSYS軟件智能劃分網(wǎng)格方式劃分網(wǎng)格,地鐵列車六人座椅有限元網(wǎng)格模型如圖6所示?？紤]車體與座椅安裝的實(shí)際情況,在車體的上下兩個(gè)面施加固定約束,使車體上下兩個(gè)面的所有自由度為零。加載過程含有螺栓預(yù)緊力和椅面表面壓力加載,為了使模擬過程更加接近實(shí)際工況,加載需要分兩步進(jìn)行。第一步對(duì)所有螺栓施加一定大小的預(yù)緊力,此處螺栓為M12,按5.6級(jí)考慮,施加5 000 N預(yù)緊力。第二步按每個(gè)人質(zhì)量70 kg施加載荷,在座椅表面上施加4 200 N均布?jí)毫奢d。載荷和邊界條件如圖7所示。

圖6 地鐵列車六人座椅有限元網(wǎng)格模型

圖7 載荷和邊界條件

4.4 分析結(jié)果

通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算,得到地鐵列車六人座椅位移云圖和等效應(yīng)力云圖,如圖8～圖11所示。鋁合金座椅變形主要發(fā)生在座椅面前圓角處,最大變形量為7.810 6 mm,原因?yàn)閳A角處無支撐,容易變形。鋁合金座椅受到載荷后,應(yīng)力主要集中在座椅背面和正面的圓角處,最大應(yīng)力值為128.79 MPa,因?yàn)閼?yīng)力集中主要出現(xiàn)于物體形狀急劇變化的部位。不銹鋼座椅最大變形量為2.831 1 mm,主要變形同樣發(fā)生在座椅圓角處,因?yàn)閳A角處無支撐,容易變形。不銹鋼座椅最大應(yīng)力值達(dá)到128.84 MPa,在受到載荷后應(yīng)力主要集中在座椅背面和正面的圓角處,拐角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖8 鋁合金座椅位移云圖

圖9 鋁合金座椅等效應(yīng)力云圖

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,座椅在受到載荷作用時(shí),安全因數(shù)應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全因數(shù),即:

S=Re/σc≥S1

(1)

式中:S為座椅安全因數(shù);Re為座椅材料許用應(yīng)力;

σc為座椅最大等效應(yīng)力;S1為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)安全因數(shù),一般取1.15。

由上述有限元分析,計(jì)算得到鋁合金座椅最大等效應(yīng)力為128.79 MPa,不銹鋼座椅最大等效應(yīng)力為128.84 MPa。將數(shù)據(jù)代入式(1),鋁合金座椅安全因數(shù)為2.64,大于1.15,不銹鋼座椅安全因數(shù)為2.32,大于1.15。計(jì)算發(fā)現(xiàn),兩種材料的座椅均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求,鋁合金座椅的安全因數(shù)高于不銹鋼座椅。

5 座椅模態(tài)分析

通過對(duì)地鐵列車六人座椅模型進(jìn)行模態(tài)分析,得到座椅自身的固有特性。在分析過程中,頻帶設(shè)置為0～200 Hz,分析結(jié)果提取前六階固有頻率和振型。座椅前六階固有頻率見表5,座椅前六階振型如圖12所示。

表5 地鐵列車六人座椅振動(dòng)固有頻率

圖12 地鐵列車六人座椅前六階振型

由于振型受材料屬性影響較小,受形狀結(jié)構(gòu)影響較大,因此對(duì)兩種不同材料的座椅振型不分開討論。通過觀察前六階振型,可知鋁合金座椅的最低固有頻率為49.977 Hz,不銹鋼座椅的最低固有頻率為48.957 Hz,均遠(yuǎn)高于車輛的激振頻率,激振頻率一般為4～8 Hz,所以不會(huì)與地鐵列車發(fā)生共振,不會(huì)影響地鐵列車的正常行駛。

6 結(jié)束語

地鐵列車座椅作為必不可少的設(shè)備,設(shè)計(jì)過程中既要考慮乘客的安全,又要考慮乘客的生理機(jī)能,還需要考慮材料的選擇和私人、公共空間的處理等。筆者利用人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計(jì)地鐵列車六人座椅的參數(shù),通過有限元方法分別對(duì)鋁合金座椅和不銹鋼座椅進(jìn)行強(qiáng)度校核。

通過人機(jī)工程學(xué)原理,確定座椅靠背高度為565 mm,座深為420 mm,靠背與座椅面夾角為105°。

經(jīng)過計(jì)算得出鋁合金座椅安全因數(shù)更高。經(jīng)過模態(tài)分析可得,兩種材料座椅振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于車輛的激振頻率,兩種材料座椅的強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮重力、耐腐蝕性等性能,鋁合金作為座椅材料是更好的選擇。

由于篇幅所限,筆者更側(cè)重于研究地鐵列車座椅的機(jī)械設(shè)計(jì)方法,僅考慮座椅材料的一般力學(xué)特性,未考慮座椅材料的耐腐蝕和耐高溫特性。針對(duì)鋁合金和不銹鋼兩種材料,后續(xù)將研究耐腐蝕和耐高溫特性。