摘要：為了在允許范圍內(nèi)減輕地鐵車輛座椅的重量，本文利用Ansys workbench軟件對(duì)現(xiàn)有地鐵車輛的座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，對(duì)比安全系數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化座椅結(jié)構(gòu)與安裝方式。同時(shí)對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真，驗(yàn)證其可應(yīng)用性。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)后的座椅結(jié)構(gòu)不但滿足安全性要求同時(shí)達(dá)到車輛減重的期望。

關(guān)鍵詞：Ansys workbench；輕量化；改進(jìn)設(shè)計(jì)

Design improvement of subway seat structure based on Ansys workbench

Ma Kun

（Beijing zhongche changke erqi track equipment co. LTD，Beijing 102433，China）

Abstract：In order to reduce the weight of subway vehicle seats within the permitted range，this paper uses Ansys workbench software to simulate the seat structure of existing subway vehicles，compare the safety factors，and then optimize the seat structure and installation methods. At the same time，the improved structure is simulated statically to verify its applicability. Simulation results show that the improved seat structure not only meets the safety requirements but also achieves the expectation of vehicle weight reduction.

Keywords：Ansysworkbench；lightweight；Improved design

引言

隨著科技發(fā)展地鐵車輛的技術(shù)工作者越發(fā)關(guān)注車體輕量化設(shè)計(jì)。為此我國(guó)的地鐵車輛從剛開始的鋼結(jié)構(gòu)逐步過(guò)渡到鋁結(jié)構(gòu)，完成了一次質(zhì)的飛躍。此后，大多著眼于各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)輕量化。本文對(duì)既有的地鐵座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行Ansysworkbench仿真分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并驗(yàn)證改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可行性【1】。

1 結(jié)構(gòu)建模

本文以地鐵車輛3人座椅為例，在CREO軟件中建立其三維模型，如下圖所示，為了便于仿真將整體結(jié)構(gòu)在Ansys中進(jìn)行布爾操作形成一個(gè)大的整體，同時(shí)將椅面等薄板零件簡(jiǎn)化為面組。由圖中可見，該3人座椅主要包括椅面、骨架、椅面加強(qiáng)件和座椅背部與墻體之間的安裝件組成。其中椅子背部的安裝件通過(guò)螺栓與墻體上的安裝滑槽相連。同時(shí)座椅結(jié)構(gòu)內(nèi)部各零件之間均通過(guò)螺栓緊固。骨架結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，其基本材料屬性如表1所示，在Ansys中為其分配材料。

基于降低計(jì)算量同時(shí)保障精度兩方面的考量【2-3】，盡量減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目。按照系統(tǒng)控制方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到90484個(gè)節(jié)點(diǎn)和35396個(gè)單元。為了便于計(jì)算將連接螺栓簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，同時(shí)對(duì)梁的兩端進(jìn)行固定。

2 加載與分析

模擬實(shí)際情況，設(shè)置兩步加載：第一步依據(jù)《DIN 25201-2》的規(guī)定對(duì)安裝螺栓（M10-8.8級(jí)）施加大小為26300N的預(yù)緊力【4】，并在第二步進(jìn)行鎖定，同時(shí)第二步對(duì)單個(gè)椅面施加600kg的均布載荷。分析求解后的應(yīng)力云圖結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)果分析

參考EN12663的標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)際生產(chǎn)的座椅結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)必須大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)Sxu（1.15）【5】，其計(jì)算公式如下：

（1）

其中：S為實(shí)際生產(chǎn)中座椅結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，Re為鋁合金材料的許用應(yīng)力，參考EN485-2，將其取值為240MPa，σc為計(jì)算結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力值。

由應(yīng)力圖可知，應(yīng)力集中于椅面折彎處，最大的應(yīng)力為60.044MPa。按照公式（1）計(jì)算后得安全系數(shù)為4，遠(yuǎn)大于其許可值1.15，為此對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化改進(jìn)。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，將安裝件與椅面加強(qiáng)件減少至兩個(gè)并重新安排其位置，如圖3所示。

對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的網(wǎng)格劃分同時(shí)施加相同的載荷，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如下圖所示。

由圖中可知應(yīng)力最大處仍為座椅折彎處，最大值為120.98MPa，按照公式（1）計(jì)算后得安全系數(shù)為2，仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)果表明改進(jìn)前后，座椅變形與安裝螺栓應(yīng)力改變并不明顯，改進(jìn)后的座椅結(jié)構(gòu)完全滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用Ansys workbench軟件對(duì)現(xiàn)有的地鐵座椅成熟結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)對(duì)其安全系數(shù)校核后提出改進(jìn)其結(jié)構(gòu)的設(shè)想，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明輕量化后的結(jié)構(gòu)仍然滿足安全要求。

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作者簡(jiǎn)介：

馬昆（1989-），女，漢族，北京人，北京中車長(zhǎng)客二七軌道裝備有限公司，助理工程師。