自从中国铁路第一次提速至今，全国铁路旅客列车行驶速度已由140 km／h增至300 km／h以上，速度可达350～400 km／h的国产高速列车研发也已全面启动。在列车高速运行状况下，对乘客的安全性及舒适性的要求更加严格。动车组座椅作为乘客与列车的连接纽带，不仅要能够支撑乘客的身体重量，而且要在列车高速运行状态下保证乘客的舒适性，减轻乘客乘坐的疲劳，在列车出现意外时保护乘客的安全。由此，与乘客联系最为密切的座椅理所当然地成为列车配套设备研发的重点。为了保证座椅的安全性，需要对座椅进行安全试验。在试验之前，利用有限元法对座椅进行仿真分析，可以有效地缩短座椅的研发周期，降低研发成本。本文根据日本动车组座椅试验要求，建立动车组3人座椅的有限元模型，并对其进行有限元分析。
1 动车组3人座椅有限元模型
1.1 网格划分
模型中大部分零件采用的是壳体，如果采用三维有限元网格划分难以保证计算精度，且网格画得过密也会导致计算量的增加，故将各零部件抽中面，采用二维有限元网格划分，并在最后计算之前定义每个零部件的壁厚，这样既能保证计算精度，又能合理地利用计算机资源；模型中其余的非薄壳零件均采用三维有限元网格划分，绝大部分三维有限元网格为六面体，其余均为五面体。单元生成后对不合格的单元进行调整和改进。
1.2 约束条件
3人座椅的材料采用的是钢(SPCC)和铝合金材料(A7003S—T5、A7N01S—T5、A5052P—H34、A2014FD-T6、ADCl2)。在进行分析时，要求各部件在各种工况下的最大应力小于材料的许用应力。3人座椅模型零部件之间采用Rigids单元固定连接。座椅靠背和转架的转轴连接处采用Rigids单元连接；座椅两边的转轴固定在两边转架的上纵梁处，座椅中部转轴固定在转架上的2根L型梁上，除去沿轴线方向的旋转自由度，其他5个自由度全部约束；座椅靠背与转架的气弹簧连接处也采用Rigids单元连接；座椅转架与底架的限位块处采用Spring和Gap单元连接。根据实际工况和试验要求，对3人座椅4个支撑腿进行全约束，座椅侧边与墙壁固接处全约束。
根据企业要求和动车组座椅试验规范，对座椅骨架的加载情况(共6组模型)进行结构强度分析，分为未加载和加载150 N行人扶手拉力两种工况。在未加载150 N行人扶手拉力时，分别进行正常坐下上身自然向后靠、人自然躺在靠背向后放到最低位的座椅上和人躺在靠背向后放到最低位座椅上并脚搁在前排座椅的搁脚处用力向后靠等3种工况分析。
每个座椅坐垫处的加载载荷的大小分配方式按照企业要求的前后比例为4:1沿垂直方向均布加载。坐垫载荷分3种工况加载：
第1种工况，人正常坐下上身自然向后靠，这时每个坐垫载荷为1 000 N；
第2种工况，人自然躺在靠背向后放到最低位的座椅上，这时每个坐垫载荷为934 N；
第3种工况，人躺在靠背向后放到最低位的座椅上并脚搁在前排座椅的搁脚处用力向后靠，这时每个坐垫载荷为888 N。
靠背载荷分3种工况加载：
第1种工况，人正常坐下上身自然向后靠，这时每个靠背载荷为133 N；
第2种工况，人自然躺在靠背向后放到最低位的座椅上，这时每个靠背载荷为144 N；
第3种工况，人躺在靠背向后放到最低位的座椅上并脚搁在前排座椅的搁脚处用力向后靠，这时每个靠背载荷为246 N。
这3种工况的加载分别与坐垫载荷的3种工况加载一一对应，即坐垫加载为第1种工况时，靠背同样采用第1种工况加载，其他两种工况的加载同理。
2 有限元分析
2.1 未加载150 N行人扶手拉力
经过有限元分析后，可得到该情况下3人座椅的实际位移及应力情况。其中：座椅骨架最大位移为11．84mm，位于靠近墙壁靠背行人扶手处，座椅转架上纵梁最大位移为1．923mm，座椅底架与转架限位处为1．338mm，座椅底架下纵梁最大位移为0．3555mm，如图1(a)所示；座椅骨架的最大应力为147．4MPa，位于坐垫前部与上纵梁接触处，座椅转架上纵梁的最大应力为131．9MPa，需改进材料的横梁最大应力为23．57 MPa，需改进材料的纵梁最大应力为0．08922MPa，如图1(b)所示。骨架各部件的最大应力均小于各部件材料的许用应力，座椅强度满足要求。 
未加载150 N第3种工况下座椅骨架位移和座椅骨架应力
2.2 加载150 N行人扶手拉力
经过有限元分析后，可得到该情况下座椅的实际位移及应力情况。其中：座椅骨架最大位移为29．54mm，位于靠近走廊靠背行人扶手处，座椅转架上纵梁最大位移为2．041mm，座椅底架与转架限位处最大位移为1．501mm，座椅底架下纵梁最大位移为0．423 5mm，如图2(a)所示；座椅骨架的最大应力为204．0MPa，位于座椅转架靠近走廊的后橡胶垫支撑处，座椅转架上纵梁的最大应力为156．4MPa，需改进材料的横梁最大应力为23．99MPa，需改进材料的纵梁最大应力为0．07474MPa，如图2(b)所示。座椅骨架各部件的最大应力均小于材料的许用应力，座椅强度满足要求。对于3种工况下不加载扶手拉力的情况，分析结果见表1。对于3种工况下加载扶手拉力的情况，分析结果见表2。
加载150 N第3种工况下座椅骨架位移和座椅骨架应力
表1 3人座椅骨架结构强度分析结果(未加150N行人扶手拉力)
 表2 3人座椅骨架结构强度分析结果(加载150N行人扶手拉力)
 3 结语
本文结合有限元法对动车组3人座椅进行结构强度分析。根据试验规范和企业要求，对座椅结构强度分别进行了未加载和加载行人扶手拉力下3种工况分析。有限元仿真结果表明：未加载150N扶手拉力时，在第1种工况下座椅骨架应力最大，为155．2MPa，在第3种工况下，左翼骨架位移最大，为11．84mm；加载150N扶手拉力时，在第3种工况下座椅骨架应力最大，为204．0MPa，左翼骨架位移最大，为29．54mm
通过加载与不加载行人扶手拉力相比，在第2种工况下，座椅骨架最大应力没有发生太大变化，而座椅骨架位移发生了较大的变化；在第3种工况下，座椅最大应力发生了较大变化。对动车组3人座椅进行的分析，可为以后动车组3人座椅的改进和重新开发提供参考。同时，建议上横梁的材料可更换为强度更低的材料。
对动车组座椅的有限元分析，得出了靠背加载载荷的位置和方式，可为以后台架试验标准修改提供参考。同时有利于企业对座椅部分零部件进行材料更换或者改进结构，实现座椅的轻量化和降低成本。
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