动车组座椅底架结构分析及优化设计

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1、机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第07期研究与开发动车组座椅底架结构分析及优化设计袁新杰（上海交运汽车精密冲压件有限公司，上海201709）摘要：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，以底架纵梁的截面面积为目标函数，最大挠度和强度为约束条件，采用优化设计的方法，找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。关键词：底架；优化设计；目标函数；挠度；强度中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1009－9492(2010)07－0061－031前言的回转中心，左右二侧有四个支撑小平面，是支撑来自转动车组座椅

2、底架主要用以承载人体载荷，并作为上部架上的载荷，转架上有三个座席。载荷通过底架的回转支转架的回转支撑，由铝合金型材和板材焊接而成。其中，撑板和支撑小平面，传递给纵梁及支撑脚至车厢地面，四三人座椅的底架较长，且承受的载荷也大，因此，底架的个支撑脚与车厢地板连接。挠度将直接影响其转动性能，其合理的结构设计，不但要根据底架结构的受力位置和支撑位置来看，其结构布满足底架有足够的刚度和强度，而且能够用最简单的结构局是比较合理的，主要是支撑点的跨度不大，这样纵梁的和最节省的材料，达到产品的功能和强度要求。本文通过挠度就会比较小，有利于控制底架的变形及回转支

3、撑板的对其结构分析，并运用优化设计的基本原理，建立目标函平整度，保持正常的回转功能。数和约束条件，求解材料最省的取值点。3问题的提出2底架结构特点分析对图1所示结构，在其支撑点、承载和结构形式均已底架结构见图1，它是由铝合金型材焊接而成。中间确定的情况下，如何使底架的纵梁，在满足强度和刚度条为回转支撑中心，主要用以支撑转架上的人体重量和转架件下，选取纵梁断面的尺寸，使所用材料最省，这是结构强度设计时必须考虑的问题。有多种方法可以解决这一问题，本文应用机械优化设计的方法，对此提出一个解决方案。本文主要讨论圆环断面的外径及壁厚的最佳取值点。图2简化

4、的力学模型图4优化设计首先根据产品结构，构件简化的力学模型，见图2。1．回转支撑板2．支撑小平面3．纵梁4．支撑脚通过对力学模型的分析，即剪力、弯矩和挠度在纵梁上的图1底架结构图分布情况，以此找到纵梁上最大弯矩和挠度，作为强度和收稿日期：2010－03－1561研究与开发机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第07期挠度设计指标。按断面所用材料最省，即断面面积最小为从图3、图4可知，梁的中点剪力为零，弯矩M＝M1＋目标函数，以满足强度和挠度指标为约束条件，建立优化M2。设计的数学模型，并运用优化设计的方法，通过程序运M1＝－P×l1算，找到

5、纵梁断面的外径和壁厚的最佳取值点。M2＝q×l3（l2＋l3）224．1力学分析M＝M1＋M2＝－P×l1＋q×l3（l2＋l3）（1）为简化分析和计算表达式，将加载情况分别计算，然22后再合并。即二个集中载荷P作用下梁的剪力Q1、弯矩材料的截面模量：M1及挠度f1，一个均布载荷q作用下梁的剪力Q2、弯矩W＝π（D4－d4）M2及挠度f2，其力学模型见图2，载荷P和载荷q作用下32D的变形、及剪力图和弯矩图分别见图3、图4，梁的截面最大弯曲应力：MM×32D见图5。σmax＝＝Wπ×44）（D－d最大挠度：fmax＝f1max＋f2maxP×l

6、×）2f1max＝－1（2l2＋l38EIq×l×）3f2max＝3（l－2l1（8－4γ2－γ3）384EIγ＝l3l－2l1I＝π（D4－d4）64P×l×l2q×l×）2fmax＝f1max＋f2max＝－12＋3（l－2l1（2）8EI384EI图3P作用时剪力和弯矩图4．2数学模型梁的长度为定值时，从式（2）中可知，挠度f是圆截面外径D和圆截面内径d的函数，即D和d为设计变量，因此，可用下式表示：X＝，x］TT［x12＝［D，d］目标函数为：F（x）＝π（D2－d2）＝π（x12－x22）（3）44边界约束条件为：g1（x）＝x1≥0

7、，图4q作用时剪力和弯矩图g2（x）＝x2≥0，g3（x）＝x1－x2≥0。强度约束条件为：［σ］g4（x）＝－1≥0，σmax设允许最大挠度为1．5时，则刚度约束条件为：1．5g5（x）＝－1≥0，fmax因此，优化设计的数学模型可归结为：设计变量X＝［x，x］T，12使目标函数F（x）＝π（x12－x22）4最小，且满足上述约束条件。4．3计算方法及结果这是一个二维非线型约束优化问题，应用拉格朗日乘图5纵梁断面图子法，引入松驰变量xi，使不等式约束变换为等式约束。62机机电工程技术电工程技术2010年第39卷第07期研究与开发构造拉格朗日函

8、数：1．52g5（x）＝－1＋x6＝0。mfmaxL（X，λ）＝f（X）－Σλkgk（X），取P＝800N，ql＝800N，E＝7．14×104N／m