动车组旋转座椅有限元计算分析

王亦金

(今创集团股份有限公司技术中心，江苏常州 213102)

动车组旋转座椅有限元计算分析

王亦金

(今创集团股份有限公司技术中心，江苏常州 213102)

通过对动车组旋转座椅的有限元计算分析，优化设计了座椅的旋转机构，把原来的箱型结构更改为质量更小、操作更方便、强度更好的框架结构，并对标准要求的各种工况进行了仿真计算。计算结果表明：座椅结构强度满足要求，最大变形量发生在顶部外侧一角，靠背连接板受力最大，且整套座椅强度通过了试验验证。

旋转座椅;框架结构;有限元计算

动车组座椅是近年今创集团自主研发的为唐山轨道客车有限责任公司配套的高速动车组旋转座椅，主要有二人和三人2种形式。旋转座椅前后间距更大，旅客乘坐时感觉更舒适。客户为便于维护保养，选用的是一种新型的框架型旋转机构(如图1)，以替代原来的箱型旋转结构，使新型的框架型旋转机构质量更小、操作更方便、结构更安全。与公司生产的其他座椅有所不同，新型框架型旋转座椅并未设置脚踏板，比较简洁，空间感也很好，且故障率低，可靠性高。

图1 旋转机构剖视图

座椅的基本结构主要部件包括座椅靠背骨架、靠背连接板、茶桌支架、扶手、边扶手支架、中间扶手支架、侧墙支架、连接板、横梁、底盘和支腿等。本次计算选择2人旋转座椅，模型用CATIA软件来实现，装配、计算及结果处理通过ABAQUS有限元软件来实现，并按标准要求，在最恶劣情况下的共计6种工况下加载。该座椅通过计算，满足强度要求，最终通过型式试验验证，现已进入批量生产阶段。

1 有限元模型及边界条件

有限元法是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。在结构强度计算过程中，有限元的计算可归结为三大方程的联合统一［1］，平衡方程、几何方程和物理方程，得到静力有限元平衡方程，其形式为：

式中(1)～(3)中 ：{F}为载荷矢量矩阵;[K]为总刚矩阵，与介质的力学特性有关;{u}为位移矢量矩阵;{ε}为应变列阵;[B]为几何矩阵;{δ}为位移列阵;{σ}为应力矩阵;[D]为弹性矩阵。

计算模型忽略了较小的圆角、倒角等细节。忽略这些元素基本不会对所关心的计算结果产生较大影响，而且可以减小计算量［2］。模型中座椅靠背骨架、侧墙支架、连接板、横梁、底盘和支腿结构采用壳单元，其余部件采用四面体实体单元划分。整个模型的单元数和节点数分别为536 221，212 421。离散后的座椅结构有限元模型如图2所示。模型的边界条件如图3所示。在支腿型材底部、侧墙支架和车体的连接部位采用全约束。

图2 座椅网格划分

图3 模型边界条件

2 计算载荷

考虑到CRH3G客室座椅工作环境，高速动车组最高运营速度为250 km/h，座椅应能承受动车组运行中的各种振动和冲击。静强度符合标准UIC566—1990和JIS E 7104—2002中所规定的负载要求，耐久性须符合 JIS E 7104—2002第6.3.2规定要求，在所规定方向的振动和冲击的幅值符合TB/T3058—2002规定要求。计算时按照标准要求，选择最恶劣情况下的共计6种工况计算［3］：工况1，每个坐垫施加1 000 N向下的均布力;工况2，靠背顶部外侧一角施加580 N向后的集中力;工况3，单个靠背顶部施加980 N的均布力;工况4，座椅每个扶手中部作用竖向向下750 N的力;工况5，座椅端部扶手中部施加水平490 N的力;工况6，茶几中部施加750 N向下的力。

3 座椅结构强度评定标准

根据DIN EN 12663《铁道车辆车体结构要求》规定，座椅结构在各个工况的载荷综合作用下，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于DIN EN 12663第3.4.2节中规定的安全系数 (若材料许用应力值取其屈服应力值进行校核，则S1为1.15，若材料许用应力值取其抗拉强度进行校核，则 S2为 1.5)［4］。即：

式(4)中：Rp0，2为材料许用应力;σm为材料的抗拉强度;σc为计算等效应力。

4 计算结果

4.1 位移结果

图4～9列出了6种工况下的座椅位移云图。从云图可以看到：工况2靠背顶部外侧一角施加580 N向后的集中力，座椅的最大位移量为55.83 mm(图5)，位置发生在靠背的最上角加载处，所以建议增加座椅靠背的刚度，以减小受力变形量。因为如果列车在高速行驶过程中，有乘客在列车突然加速或停车时拉住座椅用来支撑身体，座椅产生的较大位移会使乘客产生不安全感。其次是工况3单个靠背顶部施加980 N的均布力(图6)，座椅的位移量为40.37 mm，综合工况2，座椅的刚度薄弱环节发生在靠背处，即建议增加靠背的刚度。在工况1每个坐垫施加1 000 N向下的均布力的情况下，最小位移仅为2.17 mm(图4)。

图4 工况1位移云图

图5 工况2位移云图

图6 工况3位移云图

图7 工况4位移云图

图8 工况5位移云图

图9 工况6位移云图

4.2 最大等效应力结果

通过计算得到每个主要部件的应力云图分布及最大等效力，现仅列出关键部件在不同工况下的最大应力云图分布，如图10～14所示。因座椅为旋转机构，故对底盘要求较高，要有足够的强度。底盘在工况2条件下受力最大，为195 MPa。在所有受力工况下，靠背连接板受力最大，为273.8 MPa，此件是座椅部件中受力最大的部件。根据应力云图分布和式(4)计算得到的各种工况下的结果，并与标准比较，得到各种工况下的应力分析结果。从计算结果可以得出：座椅结构中的主要部件的安全系数低于EN12663标准中规定的S1和S2。因此，座椅靠背骨架、靠背连接板、茶桌支架、扶手、边扶手支架、中间扶手支架、侧墙支架、连接板、横梁、底盘和支腿强度合格，整个座椅的强度满足载荷要求。

图10 靠背骨架应力云图分布

图11 底盘应力云图分布

图12 靠背连接板应力云图分布

图13 横梁应力云图分布

图14 中间扶手支架应力云图分布

5 结束语

根据对框架型旋转座椅6种工况下的有限元计算分析可以得出：最大位移发生在靠背顶部外侧一角处，在所有受力工况下，靠背连接板受力最大，虽然安全系数满足标准要求，但为了留有足够裕量，更换成强度更好的Q345铸件材料。

为了验证座椅强度，在重庆中交机动车检测中心对首件产品进行了强度试验，载荷标准参照JIS E 7104—2002和UIC566—1990，分别对座椅总成、坐垫、靠背、扶手、背面桌板、前面桌板、脚踏进行了单独测试。按照与计算载荷相同的工况情况加载，在规定的时间和规定的测量方法条件下，去除载荷后座椅各部位无永久变形及裂纹，从而在计算和试验两个方面验证了CRH3G座椅强度满足标准要求。

通过对座椅部件材料和旋转结构的改进，新的框架型旋转座椅结构强度完全满足要求，为今后座椅的轻量化设计提供了参考依据。

［1］ 苏向震，何江达，陈方竹.有限元计算中模型选择对结果的影响［J］.红水河，2007(2)：61 －65.

［2］ 张艳.基于HyperMesh的25型客车建模［C］//Altair 2012 HyperWorks技术大会论文集.北京：［出版者不详］，2012.

［3］ UIC 566 1990 Loadings of coach bodies and their components［Z］.

［4］ BS EN 12663 －1 －2010.Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies-Locomotives and passenger rolling stock(and alternative method for freight wagons)［S］.

Finite Element Calculation Analysis of the Rotating Seat for EMU

WANG Yi-jin
(Center of Technology of KTK Group Co.Ltd.，Changzhou 213102，China)

In this paper，through finite element analysis of rotating seat for EMU，we optimized the rotating structure of seat.The frame structure is more lightweight，easy to operate and better strength than original structure.In the standard requirement of various operating conditions，the seat structure’s strength meets the requirements，the maximum deformation occurs at the top of the lateral one horn，the stress of backrest connection plate is the largest，and test verification is passed.

rotating seat;frame structure;finite element calculation

U27

A

1674－8425(2014)04－0033－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.007

2013－12－27

王亦金(1978—)，男，江苏人，工程师，主要从事机械设计研究。

王亦金.动车组旋转座椅有限元计算分析［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2014(4)：33－36.

format：WANG Yi-jin.Finite Element Calculation Analysis of the Rotating Seat for EMU［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：33 －36.

(责任编辑 刘 舸)