新型臥鋪動(dòng)車組蓄電池箱靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析

段貴賓

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111）

新型臥鋪動(dòng)車組蓄電池箱靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析

段貴賓

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111）

使用ABAQ US有限元軟件對(duì)新型臥鋪動(dòng)車組蓄電池箱進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析，通過hyperm esh進(jìn)行幾何處理和單元網(wǎng)格劃分，靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析參照BSEN 12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》。

蓄電池箱；有限元法；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

0 引言

動(dòng)車組蓄電池箱系統(tǒng)主要包括蓄電池組、蓄電池箱及接觸器箱，過壓抑制器，溫控器組成，接觸器箱與蓄電池箱體集成在一起。

蓄電池箱由箱體、箱門及電池車組成。其中箱體框架由高強(qiáng)度碳鋼板折彎拼焊而成，箱體頂端設(shè)有通氣帽裝置，保障蓄電池工作時(shí)的通風(fēng)，通氣帽安裝橡膠襯墊及鋼絲過濾網(wǎng)，可防止灰塵進(jìn)入箱體。箱門采用高強(qiáng)度碳鋼板焊接而成，設(shè)計(jì)使用鉤扣鎖緊固，可保證箱門安全穩(wěn)固的鎖緊。箱門上裝有密封膠條，箱門鎖緊狀態(tài)下，密封膠條被壓縮形成密封面，可保證箱門和箱體結(jié)合面不出現(xiàn)漏水。電池車組成由高強(qiáng)度碳鋼板焊接而成。臺(tái)車底部安裝滾輪在箱體導(dǎo)軌上滾動(dòng)，通過人工推拉使臺(tái)車方便進(jìn)出箱體。關(guān)閉箱門后臺(tái)車被完全擠緊。

新型臥鋪動(dòng)車組蓄電池箱因車下設(shè)備安裝空間限制，其結(jié)構(gòu)形式與既有動(dòng)車組蓄電池箱有所不同，通過使用有限元軟件對(duì)蓄電池箱進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否滿足運(yùn)營(yíng)要求。

1 仿真建模參數(shù)

蓄電池箱主要由箱體、蒙板、電池小車、前后箱門、通氣帽及12塊蓄電池組成。其中，箱體為主要承載部件，板厚主要有3 mm、4 mm和6 mm，吊座厚為6 mm；電池小車的板厚為2 mm。蓄電池箱體設(shè)計(jì)重量125 kg，12塊蓄電池重量約為275 kg，電池小車重量為35 kg，蓄電池箱組成總重為435 kg。箱體和前箱門框架采用Q345E鋼板，左、右、頂蒙板采用5754-H22鋁板，電池小車、后箱門、底蒙板及通氣帽采用06Cr19Ni10材料。

蓄電池箱利用6個(gè)螺栓通過吊座安裝在車體底架上。根據(jù)蓄電池箱的吊掛位置，規(guī)定沿車體縱向?yàn)樾铍姵叵涞目v向（Z向），沿車體橫向?yàn)樾铍姵叵涞臋M向（X向），沿車體垂向?yàn)樾铍姵叵涞拇瓜颍╕向）。

2 有限元模型

首先根據(jù)蓄電池箱組成的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立幾何模型，采用Hypermesh軟件對(duì)蓄電池箱的幾何模型進(jìn)行離散。因?yàn)樾铍姵叵浣Y(jié)構(gòu)屬于彈性薄殼結(jié)構(gòu)，所以分析中采用殼單元，部分安裝座采用實(shí)體單元，整個(gè)模型包括73611個(gè)單元和77657個(gè)節(jié)點(diǎn)，蓄電池箱有限元模型如圖1所示。

圖1 蓄電池箱有限元模型

3 計(jì)算工況及邊界條件

依據(jù)BSEN12663-1:2010《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》標(biāo)準(zhǔn)來制定蓄電池箱的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析的載荷和工況。蓄電池箱靜強(qiáng)度計(jì)算工況選取如下：

工況一：z向3g,y向-1.5g,x向1g；

工況二：z向-3g,y向-1.5g,x向1g；

工況三：z向3g,y向-1.5g,x向-1g；

工況四：z向-3g,y向-1.5g,x向-1g；

注：g為重力加速度。

蓄電池箱疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況選取如下：

工況五：z向0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工況六：z向-0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工況七：z向0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g；

工況八：z向-0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

（1）靜強(qiáng)度分析結(jié)果。超常工況下蓄電池箱體最大應(yīng)力值為171.79 MPa，安全系數(shù)為2.01，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如下：工況一：電池小車止擋與前箱門連接處，應(yīng)力值171.79 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數(shù)2.01；工況二：電池小車止擋與前箱門連接處，應(yīng)力值151.82 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數(shù)2.27；工況三：電池小車前止擋，應(yīng)力值139.08 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數(shù)2.48；工況四：電池小車前止擋，應(yīng)力值140.02 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數(shù)2.46。

超常工況下電池小車最大應(yīng)力值為141.85 MPa，安全系數(shù)為1.48，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果。蓄電池箱體疲勞工況中最大主應(yīng)力值為62.87 MPa，未超過非打磨焊縫的疲勞極限，因此蓄電池箱體的疲勞強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。電池小車疲勞工況中最大主應(yīng)力值為52.60 MPa，小于非打磨焊縫的疲勞極限，因此電池小車的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

對(duì)蓄電池箱組成進(jìn)行了靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的仿真分析，主要結(jié)論如下：

靜強(qiáng)度分析中，蓄電池箱體的最大VONMises應(yīng)力為171.79 MPa，安全系數(shù)為2.01，發(fā)生在電池小車止擋與前箱門連接處，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；電池小車的最大VONMises應(yīng)力為141.85 MPa，安全系數(shù)為1.48，發(fā)生在電池小車與前止擋連接處，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

疲勞強(qiáng)度分析中，蓄電池箱體的最大主應(yīng)力為62.87 MPa，安全系數(shù)為1.11，發(fā)生在電池小車止擋與前箱門連接處，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；電池小車的最大主應(yīng)力為52.60 MPa，安全系數(shù)為1.33，在電池小車與前止擋連接處，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5

4 結(jié)語

通過以上內(nèi)容我們能夠了解到，連鑄材料在用維氏硬度法進(jìn)行硬化層深度檢測(cè)的時(shí)候具有一定的局限性，經(jīng)常會(huì)發(fā)生硬度波動(dòng)，從而造成檢驗(yàn)的結(jié)果無法反映出實(shí)際情況。不過利用HR A方法則可以很好的解決這一問題，它能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)硬化層深度找到合理的依據(jù)，同時(shí)也可以反映硬化層區(qū)域范圍內(nèi)硬度的變化情況，從而讓硬化層深度能夠具有唯一性。

[1]高長(zhǎng)旭，邢振平，李博.感應(yīng)加熱淬火硬化層深度檢測(cè)方法探討[J].哈爾濱軸承，2015,04:33～36.

[2]關(guān)元清.淬火硬化層深度的超聲波測(cè)量[J].建筑機(jī)械，2015,06:106～107.

U270.38

A

1671-0711（2016）10（上）-0084-02