基于Ansys workbench的地铁座椅结构改进设计

摘要：为了在允许范围内减轻地铁车辆座椅的重量，本文利用Ansys workbench软件对现有地铁车辆的座椅结构进行仿真分析，对比安全系数，进而优化座椅结构与安装方式。同时对改进后的结构进行静力学仿真，验证其可应用性。仿真结果表明：改进后的座椅结构不但满足安全性要求同时达到车辆减重的期望。

关键词：Ansys workbench；轻量化；改进设计

Design improvement of subway seat structure based on Ansys workbench

Ma Kun

（Beijing zhongche changke erqi track equipment co. LTD，Beijing 102433，China）

Abstract：In order to reduce the weight of subway vehicle seats within the permitted range，this paper uses Ansys workbench software to simulate the seat structure of existing subway vehicles，compare the safety factors，and then optimize the seat structure and installation methods. At the same time，the improved structure is simulated statically to verify its applicability. Simulation results show that the improved seat structure not only meets the safety requirements but also achieves the expectation of vehicle weight reduction.

Keywords：Ansysworkbench；lightweight；Improved design

引言

隨着科技发展地铁车辆的技术工作者越发关注车体轻量化设计。为此我国的地铁车辆从刚开始的钢结构逐步过渡到铝结构，完成了一次质的飞跃。此后，大多着眼于各个零部件的结构轻量化。本文对既有的地铁座椅结构进行Ansysworkbench仿真分析，对结构进行改进，并验证改进后的结构可行性【1】。

1 结构建模

本文以地铁车辆3人座椅为例，在CREO软件中建立其三维模型，如下图所示，为了便于仿真将整体结构在Ansys中进行布尔操作形成一个大的整体，同时将椅面等薄板零件简化为面组。由图中可见，该3人座椅主要包括椅面、骨架、椅面加强件和座椅背部与墙体之间的安装件组成。其中椅子背部的安装件通过螺栓与墙体上的安装滑槽相连。同时座椅结构内部各零件之间均通过螺栓紧固。骨架结构为铝合金材质，其基本材料属性如表1所示，在Ansys中为其分配材料。

基于降低计算量同时保障精度两方面的考量【2-3】，尽量减少网格划分数目。按照系统控制方式对其进行网格划分，共得到90484个节点和35396个单元。为了便于计算将连接螺栓简化为梁单元，同时对梁的两端进行固定。

2 加载与分析

模拟实际情况，设置两步加载：第一步依据《DIN 25201-2》的规定对安装螺栓（M10-8.8级）施加大小为26300N的预紧力【4】，并在第二步进行锁定，同时第二步对单个椅面施加600kg的均布载荷。分析求解后的应力云图结果如图2所示。

3 结果分析

参考EN12663的标准要求，实际生产的座椅结构的安全系数必须大于标准中规定的安全系数Sxu（1.15）【5】，其计算公式如下：

（1）

其中：S为实际生产中座椅结构的安全系数，Re为铝合金材料的许用应力，参考EN485-2，将其取值为240MPa，σc为计算结构中的应力值。

由应力图可知，应力集中于椅面折弯处，最大的应力为60.044MPa。按照公式（1）计算后得安全系数为4，远大于其许可值1.15，为此对该结构进行轻量化改进。

4 结构改进

为了实现结构轻量化，将安装件与椅面加强件减少至两个并重新安排其位置，如图3所示。

对该结构进行相同的网格划分同时施加相同的载荷，并对改进后的结构进行应力分析，结果如下图所示。

由图中可知应力最大处仍为座椅折弯处，最大值为120.98MPa，按照公式（1）计算后得安全系数为2，仍然满足标准要求。

结果表明改进前后，座椅变形与安装螺栓应力改变并不明显，改进后的座椅结构完全满足要求。

5 结束语

本文利用Ansys workbench软件对现有的地铁座椅成熟结构进行应力分析，通过对其安全系数校核后提出改进其结构的设想，并对改进后的结构进行仿真分析，结果表明轻量化后的结构仍然满足安全要求。

参考文献：

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[5]索雪峰。基于Ansys的铝合金地铁座椅骨架有限元分析[J].科技信息.2012，3：177-178.

作者简介：

马昆（1989-），女，汉族，北京人，北京中车长客二七轨道装备有限公司，助理工程师。