某地铁车辆座椅连接优化方案研究*

2015-06-11阮国靖吕志东陈正玮

机械研究与应用 2015年4期

阮国靖，李娜，吕志东，张宇，陈正玮

(南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031)

0 引言

地铁车的座椅通过一个连接梁与侧墙相连，此连接梁材料为6063－T5铝合金型材，座椅与连接梁之间通过T型螺栓连接，现有地铁运行车辆座椅与车体的连接情况如图1所示，“未连接”区域表示现有运营车辆座椅两端有两排连接点未连接，共8个连接点;“已连接区域”表示既有运营车辆座椅的固定点。现有地铁列车在运行过程中连接梁在T型螺栓的拉力作用下C型槽发生了凸起的塑性变形现象，为了分析连接梁发生塑性变形的原因，以及在既有材料基础上获得优化改进方案，对座椅结构进行了有限元分析。

图1 现有地铁运行车辆座椅结构及与车体的连接情况

1 优化改进方案

地铁列车实际运行中使用的T型螺栓是宽度为8.4 mm，属于较窄的类型，连接时施加的预紧力为17.3 kN。在实际安装过程中发现，在17.3 kN的预紧力作用下，C型槽已经出现微小的凸起现象，座椅的铝板变形明显，垫片已经发生变形，查机械手册得知［1］，垫片内径应该大于3倍的螺栓直径。由此可知，垫片的尺寸选择偏小，导致了座椅铝板和垫片本身的变形，在预紧力作用下C型槽的变形较小，C型槽的较大的塑性变形是在有乘客的情况下列车实际运行时产生的。由此推断，有两点原因可能造成C型槽的变形:①T型螺栓与C型槽的接触面积较小，可能导致接触位置应力较大，产生塑性变形;②由于侧墙的铝型材的影响，座椅的连接螺栓有两排没有连接，这两排螺栓的位置在座椅两端，可能由于约束不足，造成了连接位置的应力较大，发生塑性变形。为分析具体原因进行有限元计算分析。

连接梁的材料为6063－T5，根据标准［2］EN－755，将材料的力学属性统计如表1所列。

表1 材料力学属性

为了探讨C型槽产生塑性变形的原因以及获取改进方案，依据标准［3］EN 12663施加载荷，进行表2所示工况的有限元计算分析。

方案①:按照实际运行中采用的T型螺栓(宽度为8.4 mm)和实际运行中采用的连接方式，进行有限元计算。

方案②:对T型螺栓进行改进，采用接触宽度为30 mm的T型螺栓，连接方式仍然按照实际运行中的情况，进行有限元计算。

方案③:对T型螺栓进行改进，采用接触宽度为30 mm的T型螺栓，对连接方式进行改进，将未连接的两排螺栓孔固定连接，考虑C型槽已经发生局部凸起的塑性变形的影响，进行有限元计算。

表2 工况施加表

本次计算，利用hypermesh软件进行前处理，建立有限元模型;利用nastran软件进行计算求解;利用hyperview软件后处理，查看计算结果。将已有的座椅模型的在catia里建立三维模型，将catia模型导入有限元处理软件hypermesh当中，对模型进行抽取中面，用壳单元建立连接梁以及座椅的有限元模型，采用四边形CQUAD4划分网格［4］，采用 RBE2单元建立乘客与座椅的连接关系，用RBE2和梁单元模拟螺栓［5］，用mass单元将每个乘客的质量(取值为80 kg)施加在乘客重心位置，参考2010年国民体质监测公报关于成年人的平均体重，故选取每个人的重量为80 kg，如图 2、3 所示。

图2 座椅的有限元模型

图3 连接梁的有限元模型

为便于区分以上有限元模型，对三个工况的有限元模型进行说明，工况1和工况2的有限元模型只有一处不同，即是座椅与连接梁的连接所用的T型螺栓不同，在有限元模型中体现为RBE2单元与C型槽的连接点的个数不同，黄色点是连接点，工况1和工况2的T型螺栓模型对比如图4所示。

工况3对C型槽已经发生局部凸起的塑性变形的区域给予考虑，在有限元模型中体现为将C型槽的凸起部位的壳单元删除，减少连接节点。工况3将未连接的两排螺栓孔进行固定，为适应车体需要增加了一个长圆孔，如图5所示。

图4 工况1与工况2的T型螺栓模型对比

图5 工况3与工况1，2的约束对比

2 有限元分析结果

图6为工况1.1在hyperview软件中显示的有限元计算结果，该结果中选择一排连接梁显示了它的应力值，由于要显示的计算结果较多，在该计算结果基础上，对要显示结果的点进行编号，如图6所示，需要显示结果的点用圆圈标记，行号分别为A、B、C、D，列号为1、2、3、4、5，选择横坐标为要显示结果点的位置坐标，纵坐标为应力值，绘制了不同工况下的计算结果曲线图如图7所示。

图6 工况1.1的计算结果

图7 不同工况下的计算结果曲线图

图7 (a)是三种不同方案在X3Z1施加载荷工况下的有限元计算结果，图7(b)是三种不同方案在Y1Z1施加载荷工况下的有限元计算结果，图7(c)是三种不同方案在Z3施加载荷工况下的有限元计算结果，以上三曲线图都能清晰的看出方案②和方案③比方案①有明显改善，方案②仍然有连接点的应力超过屈服极限，而方案③所有的连接点的应力均降低到屈服极限以下。由方案①工况1.1，工况1.2，工况1.3的计算结果可知，现有的运行情况下的C型槽在T型螺栓的拉力作用下，很多连接点的应力已经超过屈服极限120 MPa，三个方向的加速度都会引起C型槽发生局部的屈服变形，尤其是车辆行驶方向X方向的加速度对其影响最大。由方案②工况2.1，工况2.2，工况2.3的计算结果可知，对T型螺栓进行更换，采用接触宽度为30 mm的T型螺栓，使得 C型槽和T型螺栓的接触面积增大，此改变使得连接点的应力已经大幅度降低，但仍然有连接点的应力超过屈服极限，并且主要是车辆行驶方向的加速度(X方向)会使其发生屈服变形。由方案③工况3.1，工况3.2，工况3.3的计算结果可知，采用接触宽度为30 mm的T型螺栓，将C型槽已经发生凸起的位置的单元删除，将未连接的两排螺栓孔进行固定，使得连接点的应力降低到屈服极限以下，最大应力为118 MPa，XYZ三个方向的加速度均不会对C型槽造成破坏。

以上计算结果得不同工况下的最大应力值如表3所列。