动车组座椅底架的结构分析及优化设计

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1、动车组三人座椅底架的结构分析及优化设计王石付，鲍四元，杨红丽苏州科技学院土木工程学院工程力学系，江苏苏州，215011摘要：介绍了动车三人座椅的结构，构建了座椅底架的力学模型，通过结构极大正弯矩和极大负弯矩值相等的原则初步确立支撑点位置。考虑到强度和挠度条件，以底架纵梁的截面面积为目标函数，采用优化设计的方法，找到满足挠度和强度要求的最佳截面。对圆环形截面，与已有结果对比，本文把截面的尺寸缩小了12%，所用的材料量减少12％。关键词：动车座椅；强度条件;挠度条件；截面面积；优化设计Abstract:Thestructureofthree-peopleseatunderframeinthemot

2、ortrainunitwasintroduced.Themechanicalmodelisanalysedandthesupportingpointsarelocatedbyusingtheprincpleofequatingthemaximummomentwiththeminmummoment.Consideringthestrengthconditionandthedeformationcondition,theareaofthelongitudinalbeam'scrosssectionistreatedastheobjectfunction.Byusingthemethodofopti

3、maldesign,theoptimalcrosssectionisfoundwhichsatifiesthedeflectionandthestrengthcondition.Forcircularringsection,comparingwiththeresultsintheliterature,thecrosssection'sdimensiondecreasesby12%,andthematerialuseddecreases12%intheourresults.Keywords:seatinthemotortrain,deflection,thestrengthcondition,t

4、hedeformationcondition,theareaofthecrosssection,optimizationdesign引言动车组座椅底架主要用以承载人体载荷。其中三人座椅的底架较长，且承受的载荷也大，因此，底架的挠度将直接影响其转动性能。其合理的结构设计，不但要满足底架有足够的刚度和强度，而且能够用最简单的结构和最节省的材料，达到产品的功能和强度要求。文献[1]通过有限元法对动车组座椅底架结构进行强度分析，并通过试验验证，从而确定最佳结构形式。文献[2]通过对动车组座椅底架的结构分析，并构建简化的力学模型，以底架纵梁截面面积为目标函数，最大挠度和强度为约束条件，采用设计的方法，找

5、到满足挠度和强度要求时，梁截面直径和壁厚的最佳取值点。本文基于文献[2]的数据，对动车组座椅底架进行结构分析，讨论结构基本的受荷情形，然后叠加其他受荷情形以便考虑所有的受荷情形。运用优化设计的基本原理，建立目标函数和约束条件，通过Matlab软件得到材料最省的各个指标值。利用Matlab优化工具箱进行优化设计问题求解，提高了实际设计效率，具有一定的经济效益和社会效益。1．力学模型三人底架结构如图1所示，由铝合金材料焊接而成。底架中间为回转支撑中心，它与左右两侧4个支撑平面共同构成一个整体支撑面，用以支撑转架上的人体重量。底架材料是某种铝合金，弹性模量71.4GPa，许用正应力345Mpa，泊松

6、比为。最大许用切应力近似取为许用正应力的0.6倍，即为207MPa。江苏省大学生科研项目（2011－KJ022）王石付：苏州科技学院工程力学专业本科生。假设三人同时坐在椅子上，如图2，根据底架结构特点,底架中间为回转支撑板（受荷面积大），由此可将中间座位人体重量看作均布荷载作用在支撑板上，根据座椅骨架及乘客坐姿分析，取荷载重心与前后纵梁距离之比为1：4时符合实际。出于安全考虑，取。根据杠杆原理，计算出两简支梁的荷载分布如下：前梁承受的荷载为,后梁承受的荷载为。由于前梁承受荷载较大，故只需分析前梁即可。两侧所受人体重量作用在支撑小平面（受荷面积小），人体荷载通过支撑小平面传递到底架上，底架左右两

7、侧作用集中荷载，中间作用均布荷载，为方便计，令。1.回转支撑板2.纵梁3.支撑小平面4.支撑脚图1.底架结构图图2动车组座椅简化图Pl1l2l3l2l1l1Pq2．内力和变形分析已知条件：，其中，根据实际情况假设。根据加载情况分别计算梁上的最大弯矩和最大剪力。具体如下：（1）当仅有中间均布荷载作用时，如图3（a）。在梁中点处有最大弯矩；在梁与支座接触点处有最大剪力。（2）仅有一集中荷载作用在一端时