基于有限元分析的轻轨车辆座椅结构设计及试验研究

王媛媛， 李拥军， 欧士玺， 李丽， 周春艳

（1.中车南京浦镇车辆有限公司,江苏 南京 210031； 2.西南大学工程技术学院，重庆 400715）

引 言

目前，轨道车辆行业发展迅速，在轨道车辆众多的内部结构中，车辆座椅是其中一个重要的组成部分。随着人们对轨道车辆座椅结构的轻量化、安全性及舒适性等方面的要求越来越高，各大轨道公司对座椅结构的设计、研究及开发也越来越重视［1］。客室座椅布置主要采用纵排座椅和横排座椅两种形式，也会在部分区域布置有可折叠的座椅［2］。中车浦镇某城市轻轨车辆项目，结合业主要求及车辆结构设计了客室座椅布置形式为横排座椅，并在此基础上设计了客室座椅骨架及安装结构，为了验证座椅骨架及安装座是否能够满足静强度及疲劳强度要求，依据标准对座椅结构进行了有限元分析及振动冲击试验。

1 座椅结构有限元模型建立

1.1 座椅结构简介

该轻轨车辆车体采用不锈钢材质，客室内部采用横向座椅布置，座椅结构形式共有三种，包括双人座椅1、双人座椅2（座椅下部带砂箱安装接口）及单人座椅，优化设计出的座椅结构整体由座椅椅面、座椅骨架、连接骨架（包含座椅支撑座及L型连接件）、座椅下部安装座等几部分组成。三种座椅组成及安装方案类似，以双人座椅1为例，如图1所示，座椅骨架通过L型连接件与安装滑槽连接，安装滑槽固定连接在车体侧墙骨架横梁上；座椅支撑座与座椅下部安装座连接，座椅下部安装座固定连接在车体地板上。座椅骨架与座椅下部安装座材料为不锈钢，安装滑槽为铝合金，具体牌号及材料属性如表1所示。

表1 材料属性表Tab.1 Table of material properties

图1 双人座椅1三维结构模型Fig.1 3D model of double seat 1

1.2 坐标系定义及有限元模型建立

根据欧洲标准BS EN 12663-1：2010［3］，坐标系X，Y，Z三个方向如下定义：X向为沿着车体纵向；Y向为从纵向对称面指向设备一侧；Z向为从轮轨接触面指向设备。

将在三维设计软件中建立好的座椅三维模型导入有限元处理软件Hypermesh中，对三维模型进行网格划分，采用4节点的壳面体单元［4］，为了减少计算工作量，在生成模型前考虑网格密度问题，网格划分原则为在保证计算精度前提下应尽量减少网格数［5］。最终确定整体有限元网格划分尺寸为4 mm，以双人座椅1为例，离散后有限元模型的节点总数为29463，总单元数为29242。

1.3 计算载荷工况分析

根据合同要求及标准UIC 566—1990［6］，在座椅计算中所考虑的计算载荷主要包括：纵向载荷F1=1500 N，横向载荷F2=750 N，垂直向下载荷F3=1000 N。并考虑三个方向的加速度，其中纵向冲击为5g，横向冲击为1g，垂向冲击为C，垂向冲击分为两种情况，一种是取C= 3（座椅在客车端上），一种是取C= 1.5（座椅在客车中心）。表2详细列出了座椅及安装座强度计算工况。图2为S1，S2，S3各工况载荷加载及边界条件约束（以双人座椅1为例）。工况S4～S7边界条件约束跟工况S1，S2，S3相同。考虑到车体与座椅安装的实际情况，需要约束侧面（与车体侧墙连接）与底面（与车体地板连接）的所有自由度，即安装位置全约束。

表2 计算工况Tab.2 Calculation conditions

图2 载荷加载及边界条件约束（双人座椅1）Fig.2 Constraint of load and boundary conditions （double seat 1）

1.4 评定标准

1.4.1 座椅静强度评定标准

座椅强度评定标准根据欧洲标椎BS EN 12663-1：2010［3］的规定执行。座椅应在载荷工况作用下，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于标准BS EN 12663-1：2010中第5.4.2 节中规定的安全系数S1［7-8］。即：

式中Rp0.2为材料许用应力，σc为计算等效应力，规定中取S1为1.15。

1.4.2 座椅疲劳强度评定标准

采用疲劳分析中的疲劳极限法，根据准静态下线弹性结构的有限元分析结果，结合材料S-N曲线进行结构疲劳分析。疲劳极限是一个应力程度，如果所有动态应力均低于它，在该应力程度时就不会发生疲劳破坏。疲劳计算采用标准EN 1993-1-9：2005［9］中第8节详细方法，从焊缝单元中提取方向应力及剪切应力进行焊缝疲劳寿命评估。计算出的焊缝疲劳利用系数值UF小于或者等于1时满足要求。

2 有限元仿真结果及分析

2.1 强度计算结果

通过分析计算，得到了座椅结构的有限元仿真结果。表3为双人座椅1在7种工况下强度计算结果详细数据。几种工况下应力分布类似，最大应力区出现在座椅下部安装座以及座椅骨架与安装滑槽连接区域。

表3 强度计算详细数据（双人座椅1）Tab.3 Detail data for strength calculation （double seat 1）

座椅结构的最大应力出现在纵向加载工况（编号S1）下座椅下部安装座两侧立面，此面是与载荷方向垂直的受力面。下部安装座和安装滑槽应力云图如图3-4所示。下部安装座最大应力值σmax=447.983 MPa，安装座材料为不锈钢SUS 301L，许用应力为515 MPa，安全系数SF=1.15，满足安全要求。安装滑槽最大应力出现在连接骨架紧固点区域，最大应力值σmax=145.13 MPa，安装座材料为铝合金6005A-T6，许用应力为215 MPa，安全系数SF=1.48，满足设计要求。几种工况下应力分布类似，高应力区集中在下部安装座两侧立面，以及L型连接件与安装滑槽之间相连接区域。限于篇幅，其他工况应力云图未列出。经过分析，几种座椅结构均在纵向载荷工况下应力最大，但是安全系数均满足标准要求。

图3 下部安装座应力云图（双人座椅1）Fig.3 Stress nephogram of lower mounting seat （double seat 1）

图4 安装滑槽应力云图（双人座椅1）Fig.4 Stress nephogram of mounting chute （double seat 1）

2.2 疲劳强度计算结果

疲劳计算根据标准EN 1993-1-9：2005［9］中第8节提供的详细方法，计算结果得知，疲劳工况应力较大部位在座椅下部安装座与支撑筋的焊缝区域。图5为下部安装座疲劳云图，焊缝疲劳利用系数UF为0.874，小于1，完全满足设计要求。

图5 下部安装座焊缝疲劳云图Fig.5 Fatigue nephogram of lower mounting seat

3 强度试验

为验证座椅强度是否满足设计要求，应进行强度试验，包括静载试验、疲劳试验、振动冲击试验、强度落球试验等。其中静载试验按标准UIC 566—1990［6］进行，试验在完整的座椅上实施；疲劳试验满足标准NF F 31-119—1995［10］的要求；振动冲击试验满足标准IEC 61373：2010［11］中规定的冲击和振动要求。本文内容重点考察座椅骨架及连接安装座是否满足强度要求，重点分析振动冲击试验。

3.1 振动冲击试验条件

试验以双人座椅为受试样品，按照标准IEC 61373：2010［11］中1类A级试验条件的要求进行振动冲击试验，每个座椅加载70 kg载荷进行试验。

按照标准IEC 61373：2010［11］关于车体安装1类A 级设备的规定，功率谱密度曲线如图6所示。设备质量与频率取值对应关系即模拟长寿命试验条件如表4所示。

图6 1类A级车身安装设备的ASD频谱曲线Fig.6 ASD spectral curve for 1 class A body mounting equipment

表4 模拟长寿命试验条件Tab.4 Simulation long life test conditions

当质量m≤500 kg，f1=5 Hz，f2=150 Hz ；

当质量500 kg＜m≤1250 kg，f1=（1250/m）×2 Hz，f2=（1250/m）×60 Hz；

当质量m＞1250 kg，f1=2 Hz，f2=60 Hz。

座椅结构样品质量：m=150 kg＜500 kg，确定f1=5 Hz，f2=150 Hz。

冲击试验条件和功能性随机振动试验条件分别如表5和表6所示。

表5 冲击试验条件Tab.5 Impact testing conditions

表6 功能性随机振动试验条件Tab.6 Functional random vibration test conditions

试验三个方向按照横向→纵向→垂向的顺序进行，试验顺序按照试验前外观、结构检查→模拟长寿命振动试验→外观、结构检查→冲击试验→外观、结构检查→功能性随机振动试验→试验后外观、结构检查进行性能考核。图7为振动冲击纵向方向试验安装图。

图7 座椅结构振动冲击试验Fig.7 Vibration impact test of seat structure

3.2 振动冲击试验结果分析

试验结果分别得到横向、纵向、垂向三个方向上模拟长寿命试验图谱、正冲击试验图谱、负冲击试验图谱、纵向功能性随机振动试验图谱。限于篇幅，以纵向方向为例进行分析。纵向方向试验结果图谱如图8～11所示。观察图谱可知，座椅结构在纵向方向模拟长寿命振动谱曲线、纵向正冲击曲线、纵向负冲击曲线、纵向功能性随机振动曲线在标称值附近变化，且都在振动频谱上、下界限内，无试验偏差数据出现，座椅结构正常功能未受影响。横向、垂向方向试验图谱也均满足要求。

图8 纵向模拟长寿命试验图谱Fig.8 Longitudinal simulation long life test diagram

图9 纵向正冲击试验图谱Fig.9 Longitudinal impact test diagram （positive direction）

图10 纵向负冲击试验图谱Fig.10 Longitudinal impact test diagram （negative direction）

图11 纵向功能性随机振动试验图谱Fig.11 Longitudinal functional random vibration test diagram

各项试验后，在室温下对样品外观结构进行全面目视检查，与试验前相比，样品外观和机械结构完好，无机械位移或损坏，无永久变形，无裂纹，座椅结构满足轨道车辆设备冲击和振动试验标准要求。

4 结束语

本文结合业主要求及车辆结构设计了客室座椅骨架及其安装结构，根据合同及标准要求，设计了计算载荷，对座椅结构进行了有限元分析，并进行了强度试验。提供了座椅结构研发包含的强度试验及依据标准，为轨道车辆座椅产品研发提供参考。

重点对振动冲击试验进行分析，考察座椅骨架及连接安装座在实际振动和冲击环境下是否满足强度要求。试验后座椅结构完好，未出现影响正常使用的机械位移或损坏，座椅结构性能满足设计要求。

座椅产品的振动冲击试验，也验证了本文有限元分析结果的有效性和方法可行性。同时，将有限元分析与试验验证相结合的方法引入轨道车辆座椅的设计，可为地铁座椅设计及优化提供一种快速有效的现代设计手段，为今后座椅轻量化、安全性及舒适性设计提供参考。