動車組旋轉座椅有限元計算分析

王亦金

(今創集團股份有限公司技術中心，江蘇常州 213102)

動車組旋轉座椅有限元計算分析

王亦金

(今創集團股份有限公司技術中心，江蘇常州 213102)

通過對動車組旋轉座椅的有限元計算分析，優化設計了座椅的旋轉機構，把原來的箱型結構更改為質量更小、操作更方便、強度更好的框架結構，并對標準要求的各種工況進行了仿真計算。計算結果表明：座椅結構強度滿足要求，最大變形量發生在頂部外側一角，靠背連接板受力最大，且整套座椅強度通過了試驗驗證。

旋轉座椅;框架結構;有限元計算

動車組座椅是近年今創集團自主研發的為唐山軌道客車有限責任公司配套的高速動車組旋轉座椅，主要有二人和三人2種形式。旋轉座椅前后間距更大，旅客乘坐時感覺更舒適。客戶為便于維護保養，選用的是一種新型的框架型旋轉機構(如圖1)，以替代原來的箱型旋轉結構，使新型的框架型旋轉機構質量更小、操作更方便、結構更安全。與公司生產的其他座椅有所不同，新型框架型旋轉座椅并未設置腳踏板，比較簡潔，空間感也很好，且故障率低，可靠性高。

圖1 旋轉機構剖視圖

座椅的基本結構主要部件包括座椅靠背骨架、靠背連接板、茶桌支架、扶手、邊扶手支架、中間扶手支架、側墻支架、連接板、橫梁、底盤和支腿等。本次計算選擇2人旋轉座椅，模型用CATIA軟件來實現，裝配、計算及結果處理通過ABAQUS有限元軟件來實現，并按標準要求，在最惡劣情況下的共計6種工況下加載。該座椅通過計算，滿足強度要求，最終通過型式試驗驗證，現已進入批量生產階段。

1 有限元模型及邊界條件

有限元法是結構分析的一種數值計算方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展。在結構強度計算過程中，有限元的計算可歸結為三大方程的聯合統一［1］，平衡方程、幾何方程和物理方程，得到靜力有限元平衡方程，其形式為：

式中(1)～(3)中 ：{F}為載荷矢量矩陣;[K]為總剛矩陣，與介質的力學特性有關;{u}為位移矢量矩陣;{ε}為應變列陣;[B]為幾何矩陣;{δ}為位移列陣;{σ}為應力矩陣;[D]為彈性矩陣。

計算模型忽略了較小的圓角、倒角等細節。忽略這些元素基本不會對所關心的計算結果產生較大影響，而且可以減小計算量［2］。模型中座椅靠背骨架、側墻支架、連接板、橫梁、底盤和支腿結構采用殼單元，其余部件采用四面體實體單元劃分。整個模型的單元數和節點數分別為536 221，212 421。離散后的座椅結構有限元模型如圖2所示。模型的邊界條件如圖3所示。在支腿型材底部、側墻支架和車體的連接部位采用全約束。

圖2 座椅網格劃分

圖3 模型邊界條件

2 計算載荷

考慮到CRH3G客室座椅工作環境，高速動車組最高運營速度為250 km/h，座椅應能承受動車組運行中的各種振動和沖擊。靜強度符合標準UIC566—1990和JIS E 7104—2002中所規定的負載要求，耐久性須符合 JIS E 7104—2002第6.3.2規定要求，在所規定方向的振動和沖擊的幅值符合TB/T3058—2002規定要求。計算時按照標準要求，選擇最惡劣情況下的共計6種工況計算［3］：工況1，每個坐墊施加1 000 N向下的均布力;工況2，靠背頂部外側一角施加580 N向后的集中力;工況3，單個靠背頂部施加980 N的均布力;工況4，座椅每個扶手中部作用豎向向下750 N的力;工況5，座椅端部扶手中部施加水平490 N的力;工況6，茶幾中部施加750 N向下的力。

3 座椅結構強度評定標準

根據DIN EN 12663《鐵道車輛車體結構要求》規定，座椅結構在各個工況的載荷綜合作用下，材料的許用應力與計算等效應力之比應不小于DIN EN 12663第3.4.2節中規定的安全系數 (若材料許用應力值取其屈服應力值進行校核，則S1為1.15，若材料許用應力值取其抗拉強度進行校核，則 S2為 1.5)［4］。即：

式(4)中：Rp0，2為材料許用應力;σm為材料的抗拉強度;σc為計算等效應力。

4 計算結果

4.1 位移結果

圖4～9列出了6種工況下的座椅位移云圖。從云圖可以看到：工況2靠背頂部外側一角施加580 N向后的集中力，座椅的最大位移量為55.83 mm(圖5)，位置發生在靠背的最上角加載處，所以建議增加座椅靠背的剛度，以減小受力變形量。因為如果列車在高速行駛過程中，有乘客在列車突然加速或停車時拉住座椅用來支撐身體，座椅產生的較大位移會使乘客產生不安全感。其次是工況3單個靠背頂部施加980 N的均布力(圖6)，座椅的位移量為40.37 mm，綜合工況2，座椅的剛度薄弱環節發生在靠背處，即建議增加靠背的剛度。在工況1每個坐墊施加1 000 N向下的均布力的情況下，最小位移僅為2.17 mm(圖4)。

圖4 工況1位移云圖

圖5 工況2位移云圖

圖6 工況3位移云圖

圖7 工況4位移云圖

圖8 工況5位移云圖

圖9 工況6位移云圖

4.2 最大等效應力結果

通過計算得到每個主要部件的應力云圖分布及最大等效力，現僅列出關鍵部件在不同工況下的最大應力云圖分布，如圖10～14所示。因座椅為旋轉機構，故對底盤要求較高，要有足夠的強度。底盤在工況2條件下受力最大，為195 MPa。在所有受力工況下，靠背連接板受力最大，為273.8 MPa，此件是座椅部件中受力最大的部件。根據應力云圖分布和式(4)計算得到的各種工況下的結果，并與標準比較，得到各種工況下的應力分析結果。從計算結果可以得出：座椅結構中的主要部件的安全系數低于EN12663標準中規定的S1和S2。因此，座椅靠背骨架、靠背連接板、茶桌支架、扶手、邊扶手支架、中間扶手支架、側墻支架、連接板、橫梁、底盤和支腿強度合格，整個座椅的強度滿足載荷要求。

圖10 靠背骨架應力云圖分布

圖11 底盤應力云圖分布

圖12 靠背連接板應力云圖分布

圖13 橫梁應力云圖分布

圖14 中間扶手支架應力云圖分布

5 結束語

根據對框架型旋轉座椅6種工況下的有限元計算分析可以得出：最大位移發生在靠背頂部外側一角處，在所有受力工況下，靠背連接板受力最大，雖然安全系數滿足標準要求，但為了留有足夠裕量，更換成強度更好的Q345鑄件材料。

為了驗證座椅強度，在重慶中交機動車檢測中心對首件產品進行了強度試驗，載荷標準參照JIS E 7104—2002和UIC566—1990，分別對座椅總成、坐墊、靠背、扶手、背面桌板、前面桌板、腳踏進行了單獨測試。按照與計算載荷相同的工況情況加載，在規定的時間和規定的測量方法條件下，去除載荷后座椅各部位無永久變形及裂紋，從而在計算和試驗兩個方面驗證了CRH3G座椅強度滿足標準要求。

通過對座椅部件材料和旋轉結構的改進，新的框架型旋轉座椅結構強度完全滿足要求，為今后座椅的輕量化設計提供了參考依據。

［1］ 蘇向震，何江達，陳方竹.有限元計算中模型選擇對結果的影響［J］.紅水河，2007(2)：61 －65.

［2］ 張艷.基于HyperMesh的25型客車建模［C］//Altair 2012 HyperWorks技術大會論文集.北京：［出版者不詳］，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，江蘇人，工程師，主要從事機械設計研究。

王亦金.動車組旋轉座椅有限元計算分析［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，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.

(責任編輯 劉 舸)