摘  要： 文章在分析现有地铁车辆侧墙结构的基础上， 对下部侧墙结构进行优化设计， 并采用Hypermesh、Ansys 等软件进行有限元分析验证，设计出一种适用于双人座椅悬挂的新侧墙结构。 计算结果表明，优化后的侧墙结构符合车体设计相关标准，在相同工况下，较原结构有更好的强度和刚度。

关键词： 侧墙； 座椅悬挂； 有限元分析

 

      目前，地铁车辆的制造技术已经日趋完善，如何增加乘客的舒适度是当前研究的一个新方向。 在此形式下， 采用可悬挂双人座椅的侧墙结构， 增加座椅的数量，提高车辆的舒适性，已经成为一种趋势。 图 1 为常见座椅布局方式。

      地铁车辆侧墙一般由上部、中部、下部三部分组成，所用铝合金型材牌号为6005A-T6。 下部侧墙一般有两排C 型槽，主要用来悬挂单排座椅。 在这种侧墙结构上安装双人座椅，随着载荷的增加，侧墙会产生比原来更大的变形，在复杂的运营环境中，有可能会破坏现有的侧墙结构，构成极大的安全隐患。为了能够满足安装双人座椅的需求， 现对侧墙结构重新进行优化设计，在原来的两排 C 型槽中间增加一排 C 型槽，同时，每个C 型槽背面增加一条加强筋。 优化前的侧墙结构称为方案1，优化后的结构称为方案 2。

      图2 为优化前后下部侧墙的断面结构及有限元分析时承载载荷示意图。

      有限元分析在Ideas 中建立计算模型，在 Hypermesh中进行网格划分，在 ANSYS 中进行整车计算，采用梁单元模拟座椅和底部C 型槽的连接，根据实际情况每个座椅添加1 500 N 的载荷。

 

      单侧墙计算时，侧墙四周最外沿的节点采用全约束，每个座椅承受1 500 N 的静载荷。

      图3 为该工况下两种方案的应力值大小。 从图中可以看到两种方案中侧墙产生最大应力的位置均在侧墙底部的C 型槽下边缘处，结构优化后侧墙产生的最大应力值从85.1 MPa 降低到 57 MPa，远远小于铝合金的屈服强度215 MPa。

      图4 和图 5 分别为该工况下侧墙位移大小。 从计算结果可以看出：该工况下，两种方案侧墙的最大位移均出现在座椅最外端， 方案 1 座椅下降约 4.7 mm，方案2 座椅最大下降值为 2.8 mm； 在 x 方向 （车体横向），方案 1 中窗孔下部的最大变形量为 3.3 mm，方案2 中窗孔最大变形量为 2 mm。

      从两种方案的计算结果可以看出， 方案 2 的应力及位移值较方案1 小很多，原因在于增加一排 C 型槽后，下部 C 型槽所承受的载荷相对变小，且增加 3 条横筋后，侧墙的刚度变大。

      通过对静强度计算结果进行分析（见图 6），应力最大点的应力比R=0.55，查阅 6005A 疲劳强度曲线得到此时许用应力约为160 MPa， 该点的 Von-mises 应力为57 MPa，小于许用应力的 50%，满足型材要求。

      对方案2 进行屈曲分析，结果如图 7 所示。 从结果可以看到，第一阶屈曲模态的因子为 14.1，即承受 14.1倍现有工况下的载荷，侧墙才会被破坏掉，可见方案 2的侧墙结构具有优良的结构稳定性。

      把方案2 的侧墙结构应用于整车中， 在超员载荷工况下施加500 kN 的车钩压缩力，座椅连接于车体大侧墙的C 型槽上，两端座椅为单人座椅，较短，其余为双人座椅，在每个座椅中间施加载荷1 500 N。

      该工况下车体的应力云图如图8、图9 所示，从图中可以看出最大应力出现在两端座椅所连接的C 型槽，最大应力为 41.6 MPa。这较单侧墙计算中的应力值57 MPa 还小，原因在于两种模型所被施加的约束不一样。 在整车模型中，侧墙是和门立柱、顶盖及底架相连接，并没有被完全约束，更接近于现实中的情况。

      优化后的侧墙结构无论强度还是刚度都较原侧墙结构好很多， 且在超员载荷工况整车计算中符合相关车体设计标准， 是一种适用于安装双人座椅的新型侧墙结构。

 

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