一种城轨车辆环形扶手的设计分析

相贝贝，任万跃，陈 群

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

地铁车辆客室扶手主要分为门立柱罩扶手、座椅两侧扶手、座椅上方的横扶手、端墙和隔墙上的端部扶手、中央立柱、中央横扶手杆以及司机室车门扶手。扶手作为乘客抓靠的内装部件，主要用来维持乘客站立平衡和缓解乘客站立疲劳，而当车辆在离站加速和到站减速过程中，站立的乘客因惯性作用而失去身体平衡，相对其他扶手来说，中央扶手往往聚集乘客人数众多，会受到较大的抓扶力，这就对中央扶手的结构强度提出了更高要求。

在生产现场，笔者注意到深圳258城轨车辆项目的中央扶手不同于常规城轨车辆的中央立柱-横杆式简易扶手设计，它还增设了中央环形扶手这一种新式扶手结构。为了保证乘客的乘车舒适度和安全性，同时也为了促进地铁车辆扶手的结构优化设计进程，本文对其进行了研究分析。

1 中央扶手简介

1.1 基于人机工程学的中央扶手布置与选材

地铁扶手设计主要遵循人机工程学相关原理和方法进行的，从而最大限度地体现内装设计的人性化、舒适性和安全性，其中最重要的设计原则就是人体尺寸百分位数，最常用的有P5、P50、P953种百分位数。按照GB 10000-1998[1]中人体尺寸标准，3种百分位数对应的我国男女身高尺寸(见表1)。目前地铁车辆中央横扶手的高度尺寸1 900 mm就是根据人体身高尺寸的95百分位数确定的，这样可确保95%的人群身高小于此值，从而避免身材高大人群头部触碰到上部中央横扶手杆，同时也保障50%以上的男女乘客可方便抓握到中央横扶手杆。

表1 人体尺寸

深圳258城轨车辆项目的中央扶手包括中央立柱扶手、中央横扶手和中央环形扶手。它们在客室内具体布置(见图1)，中央立柱扶手设置在客室侧窗两侧，每节车布置8根；中央横扶手布置在客室侧窗中心，每节车布置4根；中央环形扶手按照客室内的分布有中间车门环形扶手和端部车门环形扶手2种设计，每节车有3个中间车门环形扶手、2个端部车门环形扶手。

图1 客室扶手布置

2种车门区环形扶手的结构(见图2)，结合该环形结构特点，分析图1中客室内各扶手的分布情况，深圳258客室扶手的整体布局完整地实现了乘客无论站在哪个区域都能随手抓握到内饰扶手来满足乘车需求，充分遵守了内装设计的人机工程学原理，体现出了深圳258项目扶手设计的人性化和安全性。

(a)中间车门环形扶手

深圳258项目中央立柱扶手采用的是φ 38 mm的不锈钢管，其他扶手采用的是φ 32 mm×2 mm的不锈钢管，材质均选用了OCr18Ni9，即304不锈钢，此不锈钢焊接件通常具有足够的耐晶间腐蚀能力，在氧化性酸中、碱溶液、大部分有机酸和无机酸以及大气、水、蒸汽中都具有优良的耐蚀性，充分满足了扶手耐腐蚀的技术要求，提高扶手的使用寿命。

1.2 环形扶手的固定方式

环形扶手结构不同于一般中央横扶手杆，其固定方式也随结构特点有所不同。首先从图2可以看出，2种环形扶手的固定位置主要区别有2点：①因环形扶手长度不同，中间固定横杆的个数不同。②扶手某一端的固定位置不同，中间车门环形扶手两端均固定在中央立柱扶手上，端部车门环形扶手有一端则直接固定在纵横梁上。

2种扶手固定所用的紧固件相同(见图3)，环形扶手端部和中央立柱扶手通过内接头和圆柱头螺栓连接；环形扶手中间部分通过横扶手拉杆、T型接头和T型螺栓紧固在顶部纵梁上如图4所示。

图3 环形扶手与立柱扶手固定处

图4 环形扶手与纵梁固定处

2 基于有限元分析的环形扶手优化设计

由于扶手专供地铁车辆上站立乘客抓握，故除了考虑外观、人机工程学因素外，还需要考虑当车辆满载乘客抓扶时其结构和固定方式能否满足高结构强度要求。所以，在设计和布置中央环形扶手过程中，对其与中央纵梁间的连接处进行了基于Hypermesh和ANSYS有限元静力学仿真分析。中间车门环形扶手的长度尺寸相比端部扶手较大，在对这2种扶手进行有限元强度校核时，对中间车门环形扶手与纵梁间的连接方式进行了结构强度优化设计。

2.1 中间车门环形扶手原始模型分析

2.1.1 有限元模型的建立

Hypermesh是一款具有强大几何清理和有限元网格划分前处理功能的CAE应用软件，考虑到薄壁钢管环形扶手的特殊结构设计，所以选用在Hypermesh中对扶手进行前处理来建立有限元模型，具体步骤包括几何清理、中面抽取、网格划分、附材料及shell单元属性，然后导出cdb文件格式，再导入ANSYS中设置边界条件和添加载荷，最后提交ANSYS求解器进行有限元计算。

中间车门环形扶手原始的设计结构(见图5)，该扶手结构只在两侧与中间纵梁通过横扶手拉杆固定。环形扶手上的焊接横杆与横扶手杆之间是通过T型接头连接，通常紧固件的紧固强度比焊接件要高，为便于建模，在有限元建模中将此处简化为焊接，故保证焊接方式的结构强度满足要求时，紧固件连接方式也就满足了材料的强度要求。

图5 原始扶手结构

在Hypermesh中对原始几何模型进行抽中面、网格划分、附壳单元属性、材料属性后，得到有限元模型(见图6)。其中，壳单元厚度设置为2 mm；304不锈钢材料的弹性模量值设置为2.06 e+5 MPa，密度值为7 930 kg/m3，泊松比为0.3。

图6 原始扶手有限元模型

2.1.2 有限元计算的结果分析

地铁扶手的受力主要由乘客的手掌传至扶手，这其中与乘客手臂同扶手的角度以及所施加的力的大小有关，且随着人体身高的降低，手臂与扶手间所形成的夹角越大(见图7)，根据UIC 566-1990附录3[2]中关于乘客手臂位置与方向确定的最大应力部分，本论文取乘客手臂与扶手夹角为0时，乘客将自身体重全部施加在扶手上，即扶手受力的极端情况作为扶手静强度分析的工况。

图7 手臂位置与方向确定的最大应力示意图

按照GB 10000-1998[1]中人体尺寸标准，地铁乘客的人体尺寸(见表2)，同一百分位中，男、女的身高与肩宽为最大值，当扶手跨度大约1 500 mm时，以50百分位男乘客为例，单侧可提供至少3个抓位。

表2 人体尺寸

根据以上扶手的静强度工况分析，以及地铁车辆中央扶手的采购技术规范，在ANSYS中对原始扶手有限元模型设置工况1，即扶手两侧环形区各施加3个900 N的载荷，最后得到应力应变云图(见图8)。依据标准EN 12663-1的规定：车体在所有静载荷工况作用下，车体应力安全系数均取1.15，304不锈钢材料的屈服强度为205 MPa，所以该扶手的设计许用应力为178 MPa。从图8可看出，环形扶手在横扶手与拉杆连接处出现最大应力109 MPa，小于不锈钢许用应力178 MPa，受力处最大变形量为1.38 mm，变形量较大。

图8 工况1时的计算结果

对原始扶手有限元模型设置工况2，环形区单边施加3个900 N的力，得到应力应变云图(见图9)。由图可知，环形扶手在横扶手与拉杆连接处出现最大应力为192 MPa，超过了不锈钢的许用应力178 MPa，受力处最大变形量为2.477 mm，变形量相比两侧受力也增大。

图9 工况2时的计算结果

对比2种工况下的扶手强度计算结果可知，相对于工况1的两侧受力，扶手在工况2时由于受力不平衡，单边受力较大造成连接处应力应变值更大，应力值已超过了材料的许用应力，当地铁车辆乘客满载时，不利于扶手的使用寿命，故需要对该结构进行强度优化。

2.2 中间车门环形扶手优化模型分析

2.2.1 有限元模型的建立

为增强扶手在连接处的结构强度，在原模型的基础上，为扶手的中心线处增设了横扶手杆，即最终的环形扶手结构。其结构尺寸图(见图10)。然后对该结构进行有限元强度分析，根据前面的计算结果，只需要验证工况2下扶手的结构强度。

图10 优化后的扶手

相同地，对优化后的扶手模型得到的有限元模型如图11所示。

图11 优化扶手的有限元模型

2.2.2 有限元计算的结果分析

鉴于该结构扶手为三横杆，车辆满载时可提供至少4个抓位，故对优化后扶手的有限元模型设置工况，环形区单边施加4个900 N的力，提交计算后得到的应力应变云图(见图12)。由图12(a)应力云图可知，环形扶手同样在横扶手与拉杆连接处出现最大应力，值为163.72 MPa，比未优化的扶手单侧受3个900 N载荷时产生的最大应力192 MPa小得多，也小于材料的许用应力；从图12(b)应变云图可知，扶手最大变形量为0.56 mm，变形量也减小。从而说明优化后的扶手结构强度满足要求，该优化方案可行，最终中间车门扶手结构采用了该结构。

(a)应力云图 (b)应变云图

3 现场环形扶手的晃动问题分析

3.1 晃动问题分析

根据第3节的强度分析可知，深圳258环形扶手的结构强度满足要求，且当车辆满载时，可为站立乘客提供更多抓握的空间。但由于结构的特殊性和固定方式的局限性，中央扶手安装完成后，环形扶手存在左右微小晃动现象。

环形扶手不同于一般横杆扶手，它有两侧供乘客抓握的横杆，呈车体中心线对称分布(见图13)，横杆间距离为400 mm，而环形扶手分别与中央立柱、中间纵梁间是居车体中心线固定的，并且固定接触面尺寸相对横杆间距来说很小，环形扶手在空间上就存在固定转轴。当一侧受乘客抓扶力比另一侧偏大时，紧固件不足以保证扶手的力矩平衡，就会出现微小晃动问题。

(a)环形扶手固定示意图 (b)横杆扶手固定示意图

3.2 解决方案

基于深圳258项目纵横梁的现行布置方案无法为环形扶手两侧提供固定位置，为解决扶手晃动的问题，本论文仍以扶手自身结构优化为主给出一个解决方案。图14(a)由于扶手到纵梁之间距离有限，将扶手横杆处以焊接方式增设以车体中心线对称分布的焊接件结构，然后焊接件上方仍通过T型螺栓固定在纵梁上，图14(b)这种结构可保证当扶手两侧受乘客抓握力不平衡时，仍能保持力矩平衡而避免出现微小晃动。

(a)结构优化后的扶手

根据扶手的结构特点及强度分析结果，为保证此改善晃动问题的扶手优化方案同样满足强度要求，须将原中央跑道扶手的布置高度1 900 mm调整为1 850 mm，这样可增加扶手上方的焊接横扶手拉杆长度，以确保和原拉杆长度保持一致。

4 结语

本文以深圳258地铁车辆的中央环形扶手为研究对象，从人机工程学出发介绍了该扶手的结构特点和选材，概述了其在整车上的布置情况，以及与中央立柱扶手、纵梁间的固定方式。并基于Hypermesh和ANSYS有限元联合仿真分析其连接处的结构强度，来对该扶手的设计优化过程展开论述；最后针对现场扶手出现的微小晃动问题，提出了改善方案。

1)深圳258客室扶手采用无辅助抓握件的设计方案，在视觉上增大了地铁车辆内饰空间，中央环形扶手外形设计为环形结构，可为站立乘客提供更多的抓扶位，使得深圳258客室扶手整体布置充分体现了人机工程学的设计原则。

2)对环形扶手基于有限元分析静强度发现，环形区域两侧同时受力时的应力应变量比单侧受力时要小；增加环形扶手中间的横扶手杆数量，可减小扶手连接处所受的最大应力，提高扶手强度。

3)基于对扶手现存晃动问题的分析发现，该环形扶手的固定方式应遵循力矩平衡原理，呈中心线对称固定。由于连接头紧固面相对扶手整个尺寸来说很小，若只在中心线上设置固定，不可避免地会出现微小晃动。