B型地鐵司機(jī)室扶手強(qiáng)度有限元分析

李赫,李宏雙

摘 要：為研究B型地鐵車司機(jī)室扶手的強(qiáng)度校核，基于人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)及人體力學(xué)理論，確定典型扶手的靜強(qiáng)度的校核工況。采用有限元仿真分析方法進(jìn)行扶手強(qiáng)度校核，并驗(yàn)證方案的可行性。

關(guān)鍵詞：扶手;工況;靜強(qiáng)度;疲勞強(qiáng)度;有限元

1 分析目的

基于人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)及人體力學(xué)理論，通過有限元法分析方法，對(duì)B型地鐵司機(jī)室內(nèi)裝前后扶手分別進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)產(chǎn)品受力狀態(tài)進(jìn)行初步判定，設(shè)計(jì)人員可參照分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 參考標(biāo)準(zhǔn)

UIC566-1990《客車車體及其零部件的載荷》。

3 有限元模型

由于本車型司機(jī)室內(nèi)裝扶手是通過螺栓等結(jié)構(gòu)與司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)骨架和玻璃鋼殼體之間進(jìn)行連接，所以為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，盡可能反應(yīng)扶手真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，在建立模型時(shí)將鋼結(jié)構(gòu)與玻璃鋼部分都進(jìn)行了繪制。使用有限元前處理軟件Hypermesh建立扶手的有限元模型。在對(duì)扶手進(jìn)行網(wǎng)格離散時(shí)，模型整體網(wǎng)格尺寸為2.5 mm，其中扶手以及扶手座使用六面體網(wǎng)格建模，扶手以外的鋼結(jié)構(gòu)及玻璃鋼部分使用四面體網(wǎng)格填充。螺栓使用對(duì)應(yīng)直徑的梁?jiǎn)卧M，與被連接結(jié)構(gòu)之間應(yīng)用剛性單元綁定。以后扶手為例見下圖3.1。

3.1 材料參數(shù)

本次扶手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析所使用的材料參數(shù)如表3.1所示。

4 邊界條件

4.1 載荷計(jì)算工況

根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC566-1990《客車車體及其零部件載荷》標(biāo)準(zhǔn)中2.1.1.1.1章節(jié)，成人重量取75 kg[1]。同時(shí)根據(jù)其附錄3中的手臂角度與作用在車輛設(shè)備上的最大拉力關(guān)系圖，可以確定本次分析的產(chǎn)品在實(shí)際使用中，司機(jī)上車時(shí)所產(chǎn)生的最大拉力為mg×0.7[2]即514.5 N（g取9.8）。

為確保足夠的可靠性及安全性，設(shè)定計(jì)算工況為x、y、z三個(gè)方向均施加514.5 N的外作用力，分別作用在扶手的上、中、下部，作為工況1、2、3。

外作用力的施加范圍為扶手的一個(gè)應(yīng)用抓位，成年人手寬定位82 mm[3]，即將外作用力以集中力的形式均勻加載與扶手對(duì)應(yīng)位置的手掌覆蓋區(qū)域上。

在對(duì)司機(jī)室扶手進(jìn)行有限元分析時(shí)，約束邊界條件的設(shè)置均按照扶手在車體與車頭結(jié)構(gòu)上的實(shí)際安裝方式進(jìn)行定義與約束，包括螺栓約束等。

5 分析結(jié)果

按照前文所述條件使用Abaqus對(duì)司機(jī)室前后扶手進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如下。

前扶手及其安裝結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力云圖和應(yīng)力集中位置示例見圖5.1。其中工況1與工況2條件下，扶手應(yīng)力峰值位置位于上扶手座處扶手管根部，應(yīng)力值分別為68.35 MPa和119.8 MPa。工況3應(yīng)力集中位置則位于下扶手座扶手管根部，應(yīng)力值為55.27 MPa。

司機(jī)室后扶手的靜強(qiáng)度分析結(jié)果示例如圖5.2所示。由結(jié)果可得，在三種工況下，雖然后扶手的應(yīng)力分布狀態(tài)各不相同，但應(yīng)力峰值位置均位于上扶手座扶手管根部，應(yīng)力值分別為66.63 MPa、124.8 MPa和55.63 MPa。

6 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果判斷，扶手靜強(qiáng)度計(jì)算的3種工況中出現(xiàn)的最大應(yīng)力的位置均為扶手根部，均未超過材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生永久性形變。同時(shí)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到所有材料的最大抗拉強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。綜上，司機(jī)室前后扶手結(jié)構(gòu)均滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)際鐵路聯(lián)盟.客車車體及其零部件的載荷：UIC566[S]. 1990.

[2]姜紅巖，蓋杰，馬書元.地鐵車內(nèi)扶手強(qiáng)度校核工況分析和仿真計(jì)算[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（2）：71-75.

[3]李振陽，郭海洋.上海軌道交通11號(hào)線車輛側(cè)扶手強(qiáng)度分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012（3）：53-54+57.