地铁双人座椅设计及其有限元实验分析

李广军，钱佳林，王汝佳，李文强

（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）

地铁每天都承载着无数人出行，是一个城市必不可少的交通系统，地铁的设计不仅代表了城市的设计水平，更关乎着城市公共交通事业的发展[1]。近年来，一些学者对地铁座椅的设计进行了研究：魏峰等人[2]通过人机工程学原理对地铁客室座椅进行尺寸设计；蒋天容[3]根据乘客乘坐地铁时的感官体验和情感体验，优化了地铁内饰设计策略；Se Jin Park等人[4]通过体压测试和人体测量数据评估列车座椅的不舒适度，并分析了列车座椅尺寸；孙丽萍等人[5]利用CATIA软件仿真技术对地铁座椅尺寸进行人机工程学理论分析；薛大维等人[6]通过ANSYS对客车车架模型进行有限元分析，计算了客车在弯曲工况下的刚度强度并作出评价，为车架设计提供了理论依据；童水光等人[7]采用有限元分析叉车车架的动静特性，计算其在临界工况下的受力情况，并根据其振动性能对车架进行了优化；王万林等人[8]以铝合金车体为例，探讨车体的有限元分析方法和结构的整体评估方法，验证了广义结构刚度的车体整体结构评估方法的有效性；周驰等人[9]建立了驱动桥有限元模型，将有限元分析结果与实验结果进行对比，验证了驱动桥系统建模和有限元分析的正确性。

然而，上述研究或侧重于座椅的设计，或侧重于有限元分析，将人机工程学设计与有限元分析结合起来进行研究的并不多；因此，本文将人机工程学设计座椅和有限元校核座椅强度结合在一起，通过有限元分析，对铝合金座椅和不锈钢座椅进行对比研究。

1 地铁座椅的设计步骤

运用CATIA建立座椅三维模型，通过CATIA中的人机工程学设计与分析模块进行舒适度评估。如图1所示为研究的具体流程：（1）依据人机工程学原理和设计所需的人体尺寸，进一步确定地铁座椅的尺寸参数；（2）根据所确定的尺寸参数，通过CATIA三维软件建立地铁座椅的三维模型；（3）通过CATIA中的人机工程学设计与分析模块置入假人模型；（4）根据人体姿态舒适度分析评估舒适值，若评估结果合格则设计完成，若评估结果不合格则返回修改尺寸参数。

图1 地铁座椅人机工程学设计流程

图2 座椅模型截面尺寸

2 地铁座椅设计及评价

2.1 地铁座椅参数设计

人机工程学采用系统的科学方法研究人-机-环境三要素间的关系[10]，考虑到人体机能和乘客的舒适感，人机工程学研究方法在工业设计中已得到广泛应用。

参考我国地铁座椅设计尺寸选取原则以及座椅设计所需要的人体尺寸[11]，可以得出：（1）18~60岁第95百分位男女最大坐姿臀宽为382 mm，最大坐姿两肘间宽为489 mm，再考虑穿着及其他各种因素，可确定设计的双人座椅宽度取1 000 mm；（2）18~60岁第5百分位男女坐姿小腿加足高最大为383 mm，坐深最大为421 mm，坐姿肩高最大为557 mm，由此可以确定该双人座椅座面高度取400 mm，座椅深度可取值420~450 mm之间。该座椅设计的靠背为无头靠式靠背，为了符合人体脊背正常的生理曲线，座椅高度设计为510 mm，靠背的高度设计为268 mm，这样能够达到支撑人体的最佳效果；此外，靠背与座椅面的夹角为105°，从而能够更好地满足舒适度要求。如图2所示，为根据上述参数通过CATIA的草图绘制命令画出的双人座椅截面尺寸。

本文设计的座椅为地铁横排双人座椅，其主要由上部分的座椅面和下部分的骨架组成，座椅四个脚通过螺栓与地铁地面固定连接。根据所确定的尺寸参数，通过CATIA建立三维模型，如图3所示为完整的座椅模型。

图3 地铁座椅模型

2.2 座椅模型舒适度评价

利用CATIA人机工程学设计与分析模块，构建不同百分位人体模型。如图4所示，为导入人体模型的地铁座椅模型。在地铁双人座椅模型中导入第P95男性人体模型、第P5女性人体模型，通过对人体摆姿势，利用该模块中的“Edits the angular limitations and the preferred angles”命令，对座椅模型的舒适性进行评估。

如图5所示，为评估方法。其中：右击“add”可添加划分的区域；右击“Color”可添加区域内的颜色；右击“Score”可对各角度区域对应的舒适度设置分值。

图4 导入人体模型的地铁座椅模型

图5 利用百分位数设置角度界限

根据表1人体主要关节活动范围，可设置首选角度。其中：舒适角度范围显示为绿色，设置分值为98分；次舒适角度范围显示为蓝色，设置分值为90分；不舒适角度范围显示为黄色，设置分值为70分；非常难受角度范围显示为红色，设置分值为60分。

表1 人体主要关节活动范围

如图6、图7所示，经评估依次得出P95男性和P5女性坐姿舒适度评估结果。通过人体模型姿态舒适度分析，显示该双人座椅的舒适值分别为97.3%和95.5%。分析结果表明：地铁双人座椅的设计符合人体舒适度要求，即地铁客室座椅设计合理。

图6 P95男性坐姿舒适度评价结果

图7 P5女性坐姿舒适度评价结果

3 地铁座椅模型静力学分析

3.1 建立有限元模型

将CATIA中建立好的座椅几何模型导入到ANSYS中。（1）选择单元类型。由于地铁座椅模型相对比较复杂，因此，采用3D实体单元solid 20 node 186进行有限元模拟分析。这样，在划分相对较少的网格数量情况下，能够具有较高的计算精度。（2）输入材料属性。本研究针对两种不同材料的地铁座椅进行对比分析，分别对铝合金座椅和不锈钢座椅进行有限元分析，在前处理时分别输入相应材料的弹性模量和泊松比。铝合金与不锈钢的材料属性如表2所示。（3）进行网格划分。设置网格边长为10 mm，划分六面体网格，总共生成215 795个单元和364 689个节点。如图8所示为地铁座椅的有限元模型。

表2 铝合金与不锈钢的材料属性

图8 地铁座椅有限元模型

3.2 施加约束与载荷

由于双人地铁座椅的四个脚与地铁地面固定连接，因此，在施加约束条件时对地铁座椅四个脚底面施加全约束，即约束X轴、Y轴、Z轴方向上的位移量均为0。模拟人乘坐时的重量，对座椅模型施加均布载荷[12]。该座椅为双人座椅，在施加载荷时应按两个人的重量考虑，每个人的重量按90 kg计算，再考虑到人在乘坐时面向地铁运行的方向以及地铁的运动状态，得出座椅靠背会承受人体重量的1.5倍载荷[13]。则施加在座椅面上的载荷为1 800 N，施加在座椅靠背上的载荷为2 700 N；换算成压强单位即施加在座椅面上的均布载荷为4.89×10-3MPa，施加在座椅靠背上的载荷为1.385×10-2MPa。

3.3计算结果

分别对铝合金座椅和不锈钢座椅进行强度校核，通过ANSYS软件有限元分析计算，得到座椅模型的位移云图和等效应力云图。如图9铝合金座椅位移云图显示，变形主要发生在座椅靠背部位，最大变形量为7.637 87 mm。这是因为靠背后方无支撑点，在受到垂直载荷后座椅面和靠背连接处产生较大弯矩，使之更容易发生变形。如图10铝合金座椅局部等效应力云图显示，座椅在受到载荷后，应力主要集中在座椅的腿部，这部分因几何形状不连续而更容易产生集中应力，其中，支撑架与底座连接的关节处达到最大应力值198.56 MPa，当座椅面上受到垂直载荷时，更容易产生较大的弯矩。

如图11所示，为不锈钢座椅位移云图，图中显示座椅模型最大变形量为2.787 6 mm，主要变形同样发生在座椅靠背部位。如图12所示，为不锈钢座椅局部等效应力云图，图中显示最大应力达到201.651 MPa，同样，座椅在受到载荷后应力主要集中在座椅腿部。

图9 铝合金座椅位移云图

图10 铝合金座椅局部等效应力云图

图11不锈钢座椅位移云图

图12 不锈钢座椅局部等效应力云图

座椅在载荷作用下，其安全系数应大于标准规定的安全系数，即：

式中：S表示座椅的安全系数；Re表示座椅材料的许用应力；σc表示座椅最大等效应力；S1表示标准规定的安全系数（一般取1.15）[14]。

由上述有限元分析计算得出：铝合金座椅最大等效应力为198.56 MPa；不锈钢座椅最大等效应力为201.651 MPa。将数据代入上述公式得到：S铝合金=1.71>1.15；S不锈钢=1.48>1.15。结果显示，以上两种材料的座椅均能满足标准规定的强度要求，但铝合金座椅的安全系数要高于不锈钢座椅。

4 地铁座椅模型模态分析

模态分析前处理与静力学分析几乎一致，先选择单元类型，然后输入材料的弹性模量、泊松比以及密度，再划分网格对座椅的四个脚施加全约束，对模型进行模态分析，得到该座椅本身的固有特性。在分析过程中，频带设置为0~200 Hz，分析结果取前12阶固有频率和振型。如表3所示，为座椅前12阶固有频率。

表3 座椅模型振动固有频率

如图13所示，依次为座椅模型一到十二阶振型图。由于振型受材料属性影响较小，受模型的形状结构影响较大，所以，对于两种不同材料的座椅振型不作分开讨论。从图13可以看出：前三阶频率较低，座椅未发生明显的变形，最大振幅为0.280 6 mm；第四阶座椅面略微向下凹陷，最大振幅为0.174 7 mm；第五阶座椅面略微向上凸起，最大振幅为0.534 mm；第六到八阶座椅面发生略微的曲折，最大振幅为0.347 6 mm；第九阶座椅面发生轻微的扭曲，最大振幅为0.458 4 mm；第十、十一阶座椅面未发生明显变化，最大振幅为0.447 1 mm；第十二阶变形主要发生在座椅下横梁，最大振幅为0.774 6 mm，而座椅面未发生变化。由于人体感到舒适的振动频率在竖直方向为4.0~12.5 Hz，水平方向为0.5~2.0 Hz，因此，结合固有频率和振型图不难发现，地铁在行驶过程中振动频率为0~12.5 Hz时，该工况下与座椅所产生的共振不会使座椅发生较明显的变形。

5 结语

地铁座椅作为地铁内饰中必不可少的设备，在设计过程中既要考虑其安全性能，又要考虑乘客的生理机能，在此基础上还需研究座椅材料的选择。本文利用人机工程学原理设计座椅参数，并通过有限元分析分别对铝合金座椅和不锈钢座椅进行强度校核。计算结果显示：铝合金和不锈钢两种座椅强度均能满足标准要求，但铝合金座椅安全系数更高；再综合考虑重量、耐腐蚀性等因素，应将铝合金作为座椅材料的更好选择。

图13 座椅模型前12阶振型图