B型地铁司机室扶手强度有限元分析

2021-09-23李赫,李宏双

交通科技与管理 2021年23期

关键词：工况有限元

李赫,李宏双

摘要：为研究B型地铁车司机室扶手的强度校核，基于人体尺寸标准及人体力学理论，确定典型扶手的静强度的校核工况。采用有限元仿真分析方法进行扶手强度校核，并验证方案的可行性。

关键词：扶手;工况;静强度;疲劳强度;有限元

1 分析目的

基于人体尺寸标准及人体力学理论，通过有限元法分析方法，对B型地铁司机室内装前后扶手分别进行静强度分析。根据分析结果对产品受力状态进行初步判定，设计人员可参照分析结果进行结构优化。

2 参考标准

UIC566-1990《客车车体及其零部件的载荷》。

3 有限元模型

由于本车型司机室内装扶手是通过螺栓等结构与司机室鋼结构骨架和玻璃钢壳体之间进行连接，所以为保证计算准确性，尽可能反应扶手真实应力状态，在建立模型时将钢结构与玻璃钢部分都进行了绘制。使用有限元前处理软件Hypermesh建立扶手的有限元模型。在对扶手进行网格离散时，模型整体网格尺寸为2.5 mm，其中扶手以及扶手座使用六面体网格建模，扶手以外的钢结构及玻璃钢部分使用四面体网格填充。螺栓使用对应直径的梁单元模拟，与被连接结构之间应用刚性单元绑定。以后扶手为例见下图3.1。

3.1 材料参数

本次扶手结构强度分析所使用的材料参数如表3.1所示。

4 边界条件

4.1 载荷计算工况

根据国际铁路联盟UIC566-1990《客车车体及其零部件载荷》标准中2.1.1.1.1章节，成人重量取75 kg[1]。同时根据其附录3中的手臂角度与作用在车辆设备上的最大拉力关系图，可以确定本次分析的产品在实际使用中，司机上车时所产生的最大拉力为mg×0.7[2]即514.5 N（g取9.8）。

为确保足够的可靠性及安全性，设定计算工况为x、y、z三个方向均施加514.5 N的外作用力，分别作用在扶手的上、中、下部，作为工况1、2、3。

外作用力的施加范围为扶手的一个应用抓位，成年人手宽定位82 mm[3]，即将外作用力以集中力的形式均匀加载与扶手对应位置的手掌覆盖区域上。

在对司机室扶手进行有限元分析时，约束边界条件的设置均按照扶手在车体与车头结构上的实际安装方式进行定义与约束，包括螺栓约束等。

5 分析结果

按照前文所述条件使用Abaqus对司机室前后扶手进行结构静强度分析，分析结果如下。

前扶手及其安装结构的整体应力云图和应力集中位置示例见图5.1。其中工况1与工况2条件下，扶手应力峰值位置位于上扶手座处扶手管根部，应力值分别为68.35 MPa和119.8 MPa。工况3应力集中位置则位于下扶手座扶手管根部，应力值为55.27 MPa。

司机室后扶手的静强度分析结果示例如图5.2所示。由结果可得，在三种工况下，虽然后扶手的应力分布状态各不相同，但应力峰值位置均位于上扶手座扶手管根部，应力值分别为66.63 MPa、124.8 MPa和55.63 MPa。

6 结论

根据分析结果判断，扶手静强度计算的3种工况中出现的最大应力的位置均为扶手根部，均未超过材料的屈服强度，不会发生永久性形变。同时，也远远未达到所有材料的最大抗拉强度，不会发生结构破坏。综上，司机室前后扶手结构均满足使用要求。

参考文献：

[1]国际铁路联盟.客车车体及其零部件的载荷：UIC566[S]. 1990.

[2]姜红岩，盖杰，马书元.地铁车内扶手强度校核工况分析和仿真计算[J].大连交通大学学报，2019（2）：71-75.