基于有限元分析的地铁座椅结构优化设计及其实验研究

【摘要】：随着地铁列车迅猛的发展，地铁列车工业与能源、环保之间的矛盾已成为制约地铁列车产业发展的突出问题。面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，列车轻量化是解决这一问题的最有效、最现实的途径之一。随着CAE技术的不断发展成熟，采用CAE技术，不仅可以节约研发时间、节约设计成本，而且还能提高产品的设计质量。 本课题以某地铁座椅结构优化为研究对象，利用Pro/Engineer软件进行实体建模，并在此基础上，结合座椅的结构特点及受力情况对有限元模型的建立方法和简化原则进行研究，随后利用ANSYS Workbench强大的几何CAD连接功能将装配体导入到有限元分析环境中，最终选择合适的单元类型、网格划分方法和接触类型，建立了较为完整的座椅有限元模型。然后依据EN12663的有关规定对座椅模型进行静强度分析，得出了座椅在典型工况下的受力和变形情况，找出了设计的不合理之处。 根据有限元分析的结果和评定标准对座椅进行结构优化，减少了椅面骨架和连接件的数量，然后对座椅的支撑架结构进行了优化设计。新设计的座椅重量相比于原来设计减少了8%，且强度满足要求。 最后，对新设计的座椅样件进行了静强度实验和疲劳强度实验。通过静强度实验，得到了座椅在静载荷作用下应力应变情况，对比实验数据和有限元分析数据，结果表明二者误差在10%左右，从而验证了有限元分析结果的正确性；疲劳实验结果显示，座椅的疲劳强度满足设计要求，更进一步说明了优化后的座椅结构和性能的可靠性。 此次研究为地铁座椅的设计提供了一种基于有限元分析和实验验证相结合的设计方法，同时为以后地铁上其它结构的设计和降低产品总成本方面，提供了科学的理论依据和实践基础，具有较强的实际意义和应用价值。