摘要：对轨道车辆客室座椅进行轻量化设计，通过ABAQUS对座椅进行有限元分析，得出了计算在各种工况下座椅系统的薄弱环节，并通过试验验证该座椅结构是否满足强度要求。
关键词： 轻量化 纵向座椅 有限元
1概述
客室座椅是轨道车辆中旅客界面的重要组成部分，随着，轨道车辆轻量化的设计需求，从设计上不断追求客室座椅的轻量化，是未来座椅设计的发展趋势，本文以轨道车辆中常用的纵向二人座椅为研究对象，阐述了座椅的轻量化设计方案，为以后轨道车辆客室座椅提供了设计参考。
2纵向座椅结构分析
客室座椅包括座椅面板和座椅骨架。面板材质分为玻璃钢、不锈钢和软包布面等几种，座椅骨架材质目前应用较多的有不锈钢、铝合金材质等。应用在某项目的座椅骨架采用不锈钢材质，此种座椅骨架为5人座椅骨架，重量为5kg/座。
3纵向座椅的基本结构
本文纵向座椅包括座椅面板、座椅骨架、座椅连接方梁。座椅面板包括座椅框架和座垫及靠垫组成，座垫及靠垫采用聚氨酯发泡外包蒙布的软包结构。座椅骨架采用铝板焊接结构。座椅连接方梁采用铝型材结构。
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4座椅部件轻量化分析
座椅骨架采用铝合金材质代替了以往使用碳钢的座椅骨架，座椅方梁：采用6005-T6铝型材材质；座椅支架：采用6082-T6铝板焊接结构。座椅面板框架采用铝板模具成型，座垫及靠垫采用聚氨酯发泡外包蒙布的软包结构；铝的密度为钢的1/3,采用铝合金材质后，重量比采用钢材质的座椅减少了2/3,但是采用铝合金材质的座椅骨架通过加强筋结构设计需要满足强度的要求，具体重量分析表见下图所示。
表1纵向二人座椅重量分析表
部位 采用钢结构（kg） 采用铝型材（kg）
座椅方梁 1 0.3
座椅支架 9 3
座椅面板 18 8
5座椅强度分析
座椅结构强度根据欧洲标准《铁道车辆车体结构要求》（EN12663）的规定进行评定。根据EN12663，座椅应在综合载荷作用下，使得安全系数（即材料的许用应力与计算等效应力之比）大于标准中规定的安全系数，即：
式中；
-屈服强度的安全系数；
-强度极限的安全系数；
-计算得到的等效应力；
R- 材料的屈服强度或0.2%变形的应力；
-强度极限（抗拉强度）。
材料的许用应力与计算得到的等效应力比值不应小于（=1.15）、（=1.5）。
其中，计算应力是部件在当前工况下的最大等效应力。
铝合金板材的力学性能来自GB/T3880《一般工业用铝及铝合金板、带材第二部分：力学性能》，铝合金型材的力学性能遵循GB/T6892-2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》。钢制件力学性能来自GB/T700-2006《碳素结构钢》。
6座椅有限元模型建立
模型中忽略了较小的圆角、倒角等细节，忽略这些元素基本不会对所关心的计算结果产生较大影响，但是可以减小计算量。模型中圆角、滑块等采用六面体实体单元划分，螺栓采用梁单元划分，其余部分采用的是壳单元。整个模型的单元数和节点数分别为405897，319349。离散后的座椅结构有限元模型，在座椅支腿及座椅支架与车体连接的部位采用全约束。工况1：每个靠背顶部施加1500N；工况2：每个坐垫前端施加1500N竖直向下的力；
7计算结果
7.1位移云图
工况1：座椅的最大位移量为30.47 毫米；工况2：座椅的最大位移量为5.049 毫米。
7.2应力分析结果表
通过各种工况下，座椅应力云图的显示结果发现，不同工况下，座椅不同部位的应力大小不同， 在给定边界条件和载荷工况条件下：
（1）座椅骨架的最大位移为30.47 毫米。由于应力值没有超过屈服极限，所以为弹性变形，不会发生塑性变形。
（2）座椅的最大等效应力为158.1MPa，发生在骨架上。座椅结构中的主要部件的安全系数高于EN12663 标准中规定的S1 和S2，因此，座椅主要部件强度合格。
8座椅静载试验
1、座椅坐垫静载测试
将座椅固定在试验台上，对测试座椅的坐垫进行加载，将每个坐垫同时进行加载，，使每个坐垫作用力从0N逐渐增加到1500N。当作用力达到1500N时，保持5s钟后，撤去作用力，让座椅在自然状态下恢复5min，然后重复此步骤2次。
2、靠背静载测试
将座椅固定在试验台上，对测试座椅的靠背进行加载，将每个靠背同时加载，使每个靠背作用力从0N逐渐增加到1500N，作用力达到1500N时，保持5s后，撤去作用力，让座椅在自然状态下恢复5min，然后重复此步骤两次。
3、抓手静载测试
将座椅固定在试验台上，对测试座椅的把手进行加载，加载中心为把手上端，作用板规格为Φ250mm圆盘，作用力方向按上表要求，试验装置的加载速度为100±20mm/min。试验结束后座椅框架无裂痕、永久变形，把手功能正常，组装的其他部件不松动，并保持一定刚度。
9结论
本文通过对纵向座椅的轻量化设计，采用铝合金轻型材料，并且经有限元分析计算及静载试验验证,座椅强度满足要求。同时，采用轻量化设计之后纵向二人座椅整体重量由56kg减轻为23kg，为轨道车辆客室座椅设计提供了设计参考。
10参考文献
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作者简介：张爱华，女，工学硕士学位，工程师，主要从事地铁城轨车辆车内设备的研发设计工作。