一種城軌車輛環(huán)形扶手的設(shè)計(jì)分析

相貝貝，任萬躍，陳 群

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

地鐵車輛客室扶手主要分為門立柱罩扶手、座椅兩側(cè)扶手、座椅上方的橫扶手、端墻和隔墻上的端部扶手、中央立柱、中央橫扶手桿以及司機(jī)室車門扶手。扶手作為乘客抓靠的內(nèi)裝部件，主要用來維持乘客站立平衡和緩解乘客站立疲勞，而當(dāng)車輛在離站加速和到站減速過程中，站立的乘客因慣性作用而失去身體平衡，相對(duì)其他扶手來說，中央扶手往往聚集乘客人數(shù)眾多，會(huì)受到較大的抓扶力，這就對(duì)中央扶手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高要求。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，筆者注意到深圳258城軌車輛項(xiàng)目的中央扶手不同于常規(guī)城軌車輛的中央立柱-橫桿式簡(jiǎn)易扶手設(shè)計(jì)，它還增設(shè)了中央環(huán)形扶手這一種新式扶手結(jié)構(gòu)。為了保證乘客的乘車舒適度和安全性，同時(shí)也為了促進(jìn)地鐵車輛扶手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)程，本文對(duì)其進(jìn)行了研究分析。

1 中央扶手簡(jiǎn)介

1.1 基于人機(jī)工程學(xué)的中央扶手布置與選材

地鐵扶手設(shè)計(jì)主要遵循人機(jī)工程學(xué)相關(guān)原理和方法進(jìn)行的，從而最大限度地體現(xiàn)內(nèi)裝設(shè)計(jì)的人性化、舒適性和安全性，其中最重要的設(shè)計(jì)原則就是人體尺寸百分位數(shù)，最常用的有P5、P50、P953種百分位數(shù)。按照GB 10000-1998[1]中人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，3種百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的我國(guó)男女身高尺寸(見表1)。目前地鐵車輛中央橫扶手的高度尺寸1 900 mm就是根據(jù)人體身高尺寸的95百分位數(shù)確定的，這樣可確保95%的人群身高小于此值，從而避免身材高大人群頭部觸碰到上部中央橫扶手桿，同時(shí)也保障50%以上的男女乘客可方便抓握到中央橫扶手桿。

表1 人體尺寸

深圳258城軌車輛項(xiàng)目的中央扶手包括中央立柱扶手、中央橫扶手和中央環(huán)形扶手。它們?cè)诳褪覂?nèi)具體布置(見圖1)，中央立柱扶手設(shè)置在客室側(cè)窗兩側(cè)，每節(jié)車布置8根；中央橫扶手布置在客室側(cè)窗中心，每節(jié)車布置4根；中央環(huán)形扶手按照客室內(nèi)的分布有中間車門環(huán)形扶手和端部車門環(huán)形扶手2種設(shè)計(jì)，每節(jié)車有3個(gè)中間車門環(huán)形扶手、2個(gè)端部車門環(huán)形扶手。

圖1 客室扶手布置

2種車門區(qū)環(huán)形扶手的結(jié)構(gòu)(見圖2)，結(jié)合該環(huán)形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析圖1中客室內(nèi)各扶手的分布情況，深圳258客室扶手的整體布局完整地實(shí)現(xiàn)了乘客無論站在哪個(gè)區(qū)域都能隨手抓握到內(nèi)飾扶手來滿足乘車需求，充分遵守了內(nèi)裝設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)原理，體現(xiàn)出了深圳258項(xiàng)目扶手設(shè)計(jì)的人性化和安全性。

(a)中間車門環(huán)形扶手

深圳258項(xiàng)目中央立柱扶手采用的是φ 38 mm的不銹鋼管，其他扶手采用的是φ 32 mm×2 mm的不銹鋼管，材質(zhì)均選用了OCr18Ni9，即304不銹鋼，此不銹鋼焊接件通常具有足夠的耐晶間腐蝕能力，在氧化性酸中、堿溶液、大部分有機(jī)酸和無機(jī)酸以及大氣、水、蒸汽中都具有優(yōu)良的耐蝕性，充分滿足了扶手耐腐蝕的技術(shù)要求，提高扶手的使用壽命。

1.2 環(huán)形扶手的固定方式

環(huán)形扶手結(jié)構(gòu)不同于一般中央橫扶手桿，其固定方式也隨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所不同。首先從圖2可以看出，2種環(huán)形扶手的固定位置主要區(qū)別有2點(diǎn)：①因環(huán)形扶手長(zhǎng)度不同，中間固定橫桿的個(gè)數(shù)不同。②扶手某一端的固定位置不同，中間車門環(huán)形扶手兩端均固定在中央立柱扶手上，端部車門環(huán)形扶手有一端則直接固定在縱橫梁上。

2種扶手固定所用的緊固件相同(見圖3)，環(huán)形扶手端部和中央立柱扶手通過內(nèi)接頭和圓柱頭螺栓連接；環(huán)形扶手中間部分通過橫扶手拉桿、T型接頭和T型螺栓緊固在頂部縱梁上如圖4所示。

圖3 環(huán)形扶手與立柱扶手固定處

圖4 環(huán)形扶手與縱梁固定處

2 基于有限元分析的環(huán)形扶手優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于扶手專供地鐵車輛上站立乘客抓握，故除了考慮外觀、人機(jī)工程學(xué)因素外，還需要考慮當(dāng)車輛滿載乘客抓扶時(shí)其結(jié)構(gòu)和固定方式能否滿足高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。所以，在設(shè)計(jì)和布置中央環(huán)形扶手過程中，對(duì)其與中央縱梁間的連接處進(jìn)行了基于Hypermesh和ANSYS有限元靜力學(xué)仿真分析。中間車門環(huán)形扶手的長(zhǎng)度尺寸相比端部扶手較大，在對(duì)這2種扶手進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核時(shí)，對(duì)中間車門環(huán)形扶手與縱梁間的連接方式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 中間車門環(huán)形扶手原始模型分析

2.1.1 有限元模型的建立

Hypermesh是一款具有強(qiáng)大幾何清理和有限元網(wǎng)格劃分前處理功能的CAE應(yīng)用軟件，考慮到薄壁鋼管環(huán)形扶手的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以選用在Hypermesh中對(duì)扶手進(jìn)行前處理來建立有限元模型，具體步驟包括幾何清理、中面抽取、網(wǎng)格劃分、附材料及shell單元屬性，然后導(dǎo)出cdb文件格式，再導(dǎo)入ANSYS中設(shè)置邊界條件和添加載荷，最后提交ANSYS求解器進(jìn)行有限元計(jì)算。

中間車門環(huán)形扶手原始的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見圖5)，該扶手結(jié)構(gòu)只在兩側(cè)與中間縱梁通過橫扶手拉桿固定。環(huán)形扶手上的焊接橫桿與橫扶手桿之間是通過T型接頭連接，通常緊固件的緊固強(qiáng)度比焊接件要高，為便于建模，在有限元建模中將此處簡(jiǎn)化為焊接，故保證焊接方式的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求時(shí)，緊固件連接方式也就滿足了材料的強(qiáng)度要求。

圖5 原始扶手結(jié)構(gòu)

在Hypermesh中對(duì)原始幾何模型進(jìn)行抽中面、網(wǎng)格劃分、附殼單元屬性、材料屬性后，得到有限元模型(見圖6)。其中，殼單元厚度設(shè)置為2 mm；304不銹鋼材料的彈性模量值設(shè)置為2.06 e+5 MPa，密度值為7 930 kg/m3，泊松比為0.3。

圖6 原始扶手有限元模型

2.1.2 有限元計(jì)算的結(jié)果分析

地鐵扶手的受力主要由乘客的手掌傳至扶手，這其中與乘客手臂同扶手的角度以及所施加的力的大小有關(guān)，且隨著人體身高的降低，手臂與扶手間所形成的夾角越大(見圖7)，根據(jù)UIC 566-1990附錄3[2]中關(guān)于乘客手臂位置與方向確定的最大應(yīng)力部分，本論文取乘客手臂與扶手夾角為0時(shí)，乘客將自身體重全部施加在扶手上，即扶手受力的極端情況作為扶手靜強(qiáng)度分析的工況。

圖7 手臂位置與方向確定的最大應(yīng)力示意圖

按照GB 10000-1998[1]中人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，地鐵乘客的人體尺寸(見表2)，同一百分位中，男、女的身高與肩寬為最大值，當(dāng)扶手跨度大約1 500 mm時(shí)，以50百分位男乘客為例，單側(cè)可提供至少3個(gè)抓位。

表2 人體尺寸

根據(jù)以上扶手的靜強(qiáng)度工況分析，以及地鐵車輛中央扶手的采購技術(shù)規(guī)范，在ANSYS中對(duì)原始扶手有限元模型設(shè)置工況1，即扶手兩側(cè)環(huán)形區(qū)各施加3個(gè)900 N的載荷，最后得到應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(見圖8)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1的規(guī)定：車體在所有靜載荷工況作用下，車體應(yīng)力安全系數(shù)均取1.15，304不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度為205 MPa，所以該扶手的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為178 MPa。從圖8可看出，環(huán)形扶手在橫扶手與拉桿連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力109 MPa，小于不銹鋼許用應(yīng)力178 MPa，受力處最大變形量為1.38 mm，變形量較大。

圖8 工況1時(shí)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)原始扶手有限元模型設(shè)置工況2，環(huán)形區(qū)單邊施加3個(gè)900 N的力，得到應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(見圖9)。由圖可知，環(huán)形扶手在橫扶手與拉桿連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力為192 MPa，超過了不銹鋼的許用應(yīng)力178 MPa，受力處最大變形量為2.477 mm，變形量相比兩側(cè)受力也增大。

圖9 工況2時(shí)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)比2種工況下的扶手強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于工況1的兩側(cè)受力，扶手在工況2時(shí)由于受力不平衡，單邊受力較大造成連接處應(yīng)力應(yīng)變值更大，應(yīng)力值已超過了材料的許用應(yīng)力，當(dāng)?shù)罔F車輛乘客滿載時(shí)，不利于扶手的使用壽命，故需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化。

2.2 中間車門環(huán)形扶手優(yōu)化模型分析

2.2.1 有限元模型的建立

為增強(qiáng)扶手在連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在原模型的基礎(chǔ)上，為扶手的中心線處增設(shè)了橫扶手桿，即最終的環(huán)形扶手結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)尺寸圖(見圖10)。然后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，只需要驗(yàn)證工況2下扶手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖10 優(yōu)化后的扶手

相同地，對(duì)優(yōu)化后的扶手模型得到的有限元模型如圖11所示。

圖11 優(yōu)化扶手的有限元模型

2.2.2 有限元計(jì)算的結(jié)果分析

鑒于該結(jié)構(gòu)扶手為三橫桿，車輛滿載時(shí)可提供至少4個(gè)抓位，故對(duì)優(yōu)化后扶手的有限元模型設(shè)置工況，環(huán)形區(qū)單邊施加4個(gè)900 N的力，提交計(jì)算后得到的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(見圖12)。由圖12(a)應(yīng)力云圖可知，環(huán)形扶手同樣在橫扶手與拉桿連接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，值為163.72 MPa，比未優(yōu)化的扶手單側(cè)受3個(gè)900 N載荷時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力192 MPa小得多，也小于材料的許用應(yīng)力；從圖12(b)應(yīng)變?cè)茍D可知，扶手最大變形量為0.56 mm，變形量也減小。從而說明優(yōu)化后的扶手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，該優(yōu)化方案可行，最終中間車門扶手結(jié)構(gòu)采用了該結(jié)構(gòu)。

(a)應(yīng)力云圖 (b)應(yīng)變?cè)茍D

3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)形扶手的晃動(dòng)問題分析

3.1 晃動(dòng)問題分析

根據(jù)第3節(jié)的強(qiáng)度分析可知，深圳258環(huán)形扶手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，且當(dāng)車輛滿載時(shí)，可為站立乘客提供更多抓握的空間。但由于結(jié)構(gòu)的特殊性和固定方式的局限性，中央扶手安裝完成后，環(huán)形扶手存在左右微小晃動(dòng)現(xiàn)象。

環(huán)形扶手不同于一般橫桿扶手，它有兩側(cè)供乘客抓握的橫桿，呈車體中心線對(duì)稱分布(見圖13)，橫桿間距離為400 mm，而環(huán)形扶手分別與中央立柱、中間縱梁間是居車體中心線固定的，并且固定接觸面尺寸相對(duì)橫桿間距來說很小，環(huán)形扶手在空間上就存在固定轉(zhuǎn)軸。當(dāng)一側(cè)受乘客抓扶力比另一側(cè)偏大時(shí)，緊固件不足以保證扶手的力矩平衡，就會(huì)出現(xiàn)微小晃動(dòng)問題。

(a)環(huán)形扶手固定示意圖 (b)橫桿扶手固定示意圖

3.2 解決方案

基于深圳258項(xiàng)目縱橫梁的現(xiàn)行布置方案無法為環(huán)形扶手兩側(cè)提供固定位置，為解決扶手晃動(dòng)的問題，本論文仍以扶手自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主給出一個(gè)解決方案。圖14(a)由于扶手到縱梁之間距離有限，將扶手橫桿處以焊接方式增設(shè)以車體中心線對(duì)稱分布的焊接件結(jié)構(gòu)，然后焊接件上方仍通過T型螺栓固定在縱梁上，圖14(b)這種結(jié)構(gòu)可保證當(dāng)扶手兩側(cè)受乘客抓握力不平衡時(shí)，仍能保持力矩平衡而避免出現(xiàn)微小晃動(dòng)。

(a)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的扶手

根據(jù)扶手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及強(qiáng)度分析結(jié)果，為保證此改善晃動(dòng)問題的扶手優(yōu)化方案同樣滿足強(qiáng)度要求，須將原中央跑道扶手的布置高度1 900 mm調(diào)整為1 850 mm，這樣可增加扶手上方的焊接橫扶手拉桿長(zhǎng)度，以確保和原拉桿長(zhǎng)度保持一致。

4 結(jié)語

本文以深圳258地鐵車輛的中央環(huán)形扶手為研究對(duì)象，從人機(jī)工程學(xué)出發(fā)介紹了該扶手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選材，概述了其在整車上的布置情況，以及與中央立柱扶手、縱梁間的固定方式。并基于Hypermesh和ANSYS有限元聯(lián)合仿真分析其連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，來對(duì)該扶手的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程展開論述；最后針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)扶手出現(xiàn)的微小晃動(dòng)問題，提出了改善方案。

1)深圳258客室扶手采用無輔助抓握件的設(shè)計(jì)方案，在視覺上增大了地鐵車輛內(nèi)飾空間，中央環(huán)形扶手外形設(shè)計(jì)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，可為站立乘客提供更多的抓扶位，使得深圳258客室扶手整體布置充分體現(xiàn)了人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)原則。

2)對(duì)環(huán)形扶手基于有限元分析靜強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，環(huán)形區(qū)域兩側(cè)同時(shí)受力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變量比單側(cè)受力時(shí)要??；增加環(huán)形扶手中間的橫扶手桿數(shù)量，可減小扶手連接處所受的最大應(yīng)力，提高扶手強(qiáng)度。

3)基于對(duì)扶手現(xiàn)存晃動(dòng)問題的分析發(fā)現(xiàn)，該環(huán)形扶手的固定方式應(yīng)遵循力矩平衡原理，呈中心線對(duì)稱固定。由于連接頭緊固面相對(duì)扶手整個(gè)尺寸來說很小，若只在中心線上設(shè)置固定，不可避免地會(huì)出現(xiàn)微小晃動(dòng)。