鋁合金扶手桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計

周強　趙風啟

摘要：扶手是城軌車輛必不可少的組成部分，能起到維持乘客站立平衡和緩解乘客疲勞的作用。文章選取北京S1線磁浮列車的中立柱鋁合金扶手桿作為分析對象，通過有限元仿真試驗研究扶手桿幾何設(shè)計參數(shù)對鋁合金扶手桿強度的影響，為扶手設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；鋁合金扶手桿；有限元方法；結(jié)構(gòu)設(shè)計；磁浮列車 文獻標識碼：A

中圖分類號：O346 文章編號：1009-2374（2016）16-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.004

城市軌道列車是一種運行于城市內(nèi)部的快速、大運量的軌道車輛，具有優(yōu)越的疏通客流的能力，車輛內(nèi)部裝飾和設(shè)備根據(jù)客流量進行布置。為了能夠提高客運能力，適應(yīng)軌道交通短途、大運量的特點，車輛內(nèi)部只布置座椅和扶手，因此扶手是城軌車輛中重要的內(nèi)裝部件。在車輛正常啟動、停車以及緊急制動的時候，扶手起到維持乘客站立平衡和緩解乘客疲勞的作用，其布局和結(jié)構(gòu)形式多種多樣。在客流高峰時期，中立柱扶手桿上抓扶的乘客數(shù)量很多，導致扶手桿承受較大的沖擊力。因此在扶手的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，會重點考慮扶手桿的強度、剛度性能，要求扶手桿能滿足一定的靜態(tài)載荷而不產(chǎn)生永久變形、斷裂等問題。

在實際應(yīng)用中，扶手桿多采用不銹鋼管制成，其直徑一般在32～38mm之間。不銹鋼管表面多采用拉絲電涌或噴砂點解拋光處理。

鋁合金材質(zhì)的扶手桿在國內(nèi)城軌車輛領(lǐng)域應(yīng)用比較少，主要原因在于普通工業(yè)用鋁合金的力學性能弱于不銹鋼，且表面處理比較困難。現(xiàn)有的城軌車輛中，鋁合金扶手多采用陽極氧化進行表面處理。但是鋁合金有著不銹鋼無法比擬的優(yōu)勢：重量輕、易成型。

有限元分析作為一種輔助設(shè)計手段，在城軌車輛的強度分析中已有應(yīng)用。參考文獻[1]根據(jù)標準《客車車體及其構(gòu)件的載荷》（UIC 566-1990）中規(guī)定的“扶手縱向、水平和垂直三個方向的載荷大于750N”，結(jié)合上海軌道交通11號線車輛扶手結(jié)構(gòu)，對地鐵車輛的受力最惡劣的座椅側(cè)扶手進行強度分析計算，結(jié)果表明鋁合金材質(zhì)具有輕量化、易成型的優(yōu)點，并且得出在給定的工況條件下，該扶手結(jié)構(gòu)滿足強度要求。參考文獻[2]以廣州地鐵6號線車輛鋁合金扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，利用ANSYS Workbench仿真軟件建立了頂部扶手的數(shù)值分析模型，論述了該模型的約束和加載情況，并通過應(yīng)力應(yīng)變分析，得出了最后的計算結(jié)果。結(jié)果表明，利用有限元分析可以縮短設(shè)計和驗證周期，避免多次試驗不合格再修改設(shè)計進行驗證的情況。如此既可以節(jié)約時間，又可以節(jié)省試驗費，提高設(shè)計效率。

但是這些研究基本上都是在鋁合金扶手桿幾何尺寸不變的條件下進行的強度驗證試驗，極少涉及鋁合金扶手桿幾何設(shè)計參數(shù)最優(yōu)取值的問題。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以大量的實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合自己的研發(fā)設(shè)計工作：分析了鋁合金扶手桿外徑D和壁厚ξ對扶手桿應(yīng)力應(yīng)變的影響趨勢，在滿足強度要求的條件下，尋求D和ξ的最優(yōu)取值；討論了增強鋁合金扶手桿強度的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。

1 壁厚和直徑對扶手桿強度的影響

1.1 扶手桿模型描述

磁浮列車是一種新型交通工具，利用磁力使車體浮離地面，跟地面保持一定距離，保持磁浮的狀態(tài)，再利用電機推進，就像一架超低空飛機貼近特殊的軌道運行。磁浮列車不同于一般的城軌、地鐵車輛，輕量化是磁浮車輛永恒的主題之一。

唐車公司研發(fā)生產(chǎn)的中低速磁浮列車對車內(nèi)設(shè)備的重量提出了比較苛刻的要求。為了達到輕量化的要求，車輛的各部件都要求在滿足性能需求的前提下盡可能減輕重量。因此，相對于不銹鋼材質(zhì)的扶手，鋁合金扶手是一種不錯的設(shè)計方案。

本文擬采用的材料為7020A-T6，符合GB/T 6892-2006標準要求。

材料常數(shù)如表1所示：

車內(nèi)所采用的鋁合金扶手桿，桿長2100mm，為薄壁空腔圓管。試樣外徑設(shè)為D，壁厚設(shè)為ξ；扶手桿局部最大應(yīng)力設(shè)為σ，安全系數(shù)S=δs/σ，根據(jù)《客車車體及其構(gòu)件的載荷》（UIC 566-1990），要求最小安全系數(shù)S大于1.1。

1.2 建立數(shù)值分析模型

1.2.1 網(wǎng)格劃分。在ANSYS Workbench環(huán)境中導入外部幾何結(jié)構(gòu)，采用Solid六面體單元離散，構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)的詳細分析模型。扶手桿采用掃掠的方法進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示：

1.2.2 約束及加載。計算中采用實際的約束方式，即扶手桿兩端的6個自由度完全約束。

加載方面，要求：（1）900N的橫向負載應(yīng)用在所有扶手范圍內(nèi)的任何點上，1300N/m的疊加力均勻分布，扶手不允許出現(xiàn)永久變形；（2）900N的垂直負載應(yīng)用在所有扶手范圍內(nèi)的任何點上，1300N/m的疊加力均勻分布，扶手不允許出現(xiàn)永久變形。

1.3 強度計算與分析

加載后的Von-Mess應(yīng)力云圖如圖2所示：

通過大量的仿真計算發(fā)現(xiàn)，扶手桿發(fā)生應(yīng)力集中最嚴重的區(qū)域，發(fā)生在扶手桿兩端施加約束的地方，如圖3所示。在扶手桿的末端，可以通過局部加強來提高強度。

1.3.1 壁厚ξ對扶手桿局部最大應(yīng)力σ的影響。在外徑D為32～38mm，壁厚分別為1～4mm的49種鋁合金扶手桿試樣上進行試驗、計算，得到的扶手桿局部最大應(yīng)力σ隨ξ的變化情況如圖4所示：

從圖4可以看出：（1）在外徑D一定的條件下，ξ是影響扶手桿強度的一個主要因素。σ隨著ξ的增大而逐漸的減小。當ξ小于2.5mm的時候，局部應(yīng)力集中的變化幅度非常大，變化幅度接近100～140MPa/0.5mm；但隨著ξ的逐漸增大，使得扶手桿的承載能力得到加強，應(yīng)力集中明顯削弱。當ξ為2.5～4mm時，試樣局部最大應(yīng)力趨于穩(wěn)定。（2）在ξ一定的條件下，σ隨D的增大而逐漸減小，但變化不大，基本都在5～10MPa/mm，說明扶手桿外徑D對應(yīng)力集中的影響程度很小。

1.3.2 ξ對S的影響。

從圖5可以看出：

當D=32mm，ξ>4mm；D=33mm，ξ>3.8mm；D=34mm，ξ>3.5mm；D=35mm，ξ>3mm；D=36mm，ξ>2.5mm；D=37mm，ξ>2.2mm；D=38mm，ξ>2mm時，S>1.1，符合設(shè)計要求。其他情況不能夠滿足強度要求。

從試驗數(shù)據(jù)可以得出，ξ是影響安全系數(shù)的重要因素，0.5mm壁厚差值，就會造成很嚴重的局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部疲勞失效區(qū)域，不利于扶手桿的整體強度。

2 扶手桿斷面設(shè)計

2.1 新型斷面設(shè)計

鋁合金扶手桿與不銹鋼扶手桿，除了材質(zhì)和壁厚不同外，多數(shù)情況下采取了同樣的設(shè)計方式，即空腔薄壁結(jié)構(gòu)，如圖6所示：

為了增強鋁合金管的強度，除了增加壁厚，還可以通過內(nèi)部加強筋的方式來提高強度，扶手桿型腔斷面如圖7所示。

2.2 強度計算

在外徑D為38mm，如圖6、圖7所示兩種類型的鋁合金扶手桿試樣上進行試驗、計算，得到的扶手桿最大應(yīng)力σ隨ξ的變化情況如圖8所示：

從圖8可以看出，增加加強筋后，鋁合金管的抗疲勞強度大大增強。

3 結(jié)語

綜上所述，所得到的結(jié)論主要如下：（1）壁厚ξ是影響安全系數(shù)S的主要影響因素。ξ對S的影響，主要是因為ξ的變化改變了扶手桿應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中程度。ξ減小，扶手桿兩端的應(yīng)力集中加劇；ξ增大，應(yīng)力集中減弱，故ξ越小越不利于扶手桿的抗疲勞能力。（2）外徑D對安全系數(shù)S有一定的影響，但是影響不大。（3）本文中，內(nèi)部加強筋是增加鋁合金扶手桿強度的有效方式，加強筋的使用避免了單一的通過增加壁厚來提高強度的單一方式，而且強度更高。

參考文獻

[1] 李振陽，郭海洋.上海軌道交通11號線車輛側(cè)扶手強度分析[J].電力機車與城軌車輛，2012，35（3）.

[2] 馬維蓮，張克姝.有限元分析在城軌車輛扶手結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].沿海企業(yè)與科技，2011，（12）.

[3] 張光偉，韓志衛(wèi).北京地鐵八通線地鐵車體開發(fā)設(shè)計[J].鐵道車輛，2005，43（11）.

[4] 陸娟，洪榮晶，朱狀瑞.鋁合金地鐵車體零件有限元模態(tài)分析[J].鐵道工程學報，2005，（6）.

[5] 岳譯新，林文君，雷挺.地鐵鋁合金車體模態(tài)和穩(wěn)定性有限元分析[J].設(shè)計與研究，2008，35（4）.

[6] 一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材（GB/T 6892-2006）[S].