地鐵車輛蓄電池箱強度及模態(tài)有限元仿真分析

姜焙晨++趙子豪++展旭和

摘 要：使用有限元軟件Hyperworks對地鐵車輛蓄電池箱體進行四項仿真分析：靜強度分析、疲勞強度分析、沖擊響應分析和模態(tài)分析。其中，靜強度與疲勞強度分析參照BS EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵路車輛車身的結構要求 第1部分：機車和客運車輛》；沖擊響應分析參照標準IEC61373-2010中的I類A級要求。通過仿真計算得出以下結論：（1）靜強度工況中，蓄電池箱的最大vonMises應力值小于材料的屈服極限；（2）疲勞強度工況中，蓄電池箱體的最大主應力值小于非打磨焊縫的疲勞極限；（3）沖擊響應工況中，蓄電池箱體的最大vonMises應力值小于材料的屈服極限；（4）模態(tài)分析中，蓄電池箱的1階固有模態(tài)頻率值為23.339Hz。

關鍵詞：有限元法；靜強度；疲勞強度；沖擊響應；模態(tài)

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.14.101

1 前言

該型地鐵車輛的蓄電池箱主要由箱體框架、蒙板、擺臂、電池臺車、箱門、通氣帽、配電箱和蓄電池組成。其中，箱體框架為主要承載部件，型材厚度主要是3mm和4mm。

蓄電池箱通過6個吊座，共6個孔，吊掛在車下，其安裝形式如圖1所示。根據蓄電池箱的吊掛位置，本文規(guī)定沿車體縱向為蓄電池箱的縱向（X向），沿車體垂向為蓄電池箱的垂向（Y向），沿車體橫向為蓄電池箱的橫向（Z向）。

圖1 蓄電池箱安裝形式

框架、下蒙板、擺臂、電池臺車、軸承材料為不銹鋼06Cr19Ni10，其他蒙板及箱門蓋板材料為鋁合金5083-H111。蓄電池箱各組成部件的材料參數如表1所示。

根據蓄電池箱組成的實際結構和尺寸建立幾何模型，去除了部分對結構強度沒有影響的電器件和孔洞，保留主要的承載結構。采用Hypermesh軟件對蓄電池箱的幾何模型進行有限元網格劃分。

因為蓄電池箱結構屬于彈性薄殼結構，所以分析中采用PSHELL單元，蓄電池及部分結構采用實體PSOLD單元，整個模型包括482552個單元和496286個節(jié)點，蓄電池箱有限元模型如圖2所示。

2 計算工況及邊界條件

依據BS EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵路車輛車身的結構要求 第1部分：機車和客運車輛》標準來制定蓄電池箱的靜強度和疲勞強度分析的載荷，根據IEC61373-2010標準中I類A級的要求制定蓄電池箱的沖擊載荷，制定如下計算載荷和工況。

2.1 靜強度工況

根據BS EN 12663-1：2010，蓄電池箱靜強度計算工況如表2所示。

2.2 疲勞強度工況

根據BS EN 12663-1：2010，蓄電池箱疲勞強度計算工況如表3所示。

2.3 沖擊響應工況

沖擊加速度：縱向為5g，橫向為3g，垂向為3g。根據IEC61373-2010中的I類A級要求，沖擊的加速度理想化為標準半波正弦（y=Asin x），如圖3所示。

2.4 模態(tài)分析

計算蓄電池箱（包括蒙板）的前6階模態(tài)，分別得到各階模態(tài)所對應的振型圖。

2.5 邊界條件

所有計算工況均對蓄電池箱吊座進行全約束，如圖4所示。

3 計算結果與分析

3.1 靜強度分析結果

由表4可以得出：靜強度工況二下蓄電池箱體產生最大vonMises應力值105.8MPa，位置位于臺車右后端與擺臂連接處，安全系數為1.98，所以蓄電池箱體的靜強度滿足標準要求。圖5給出了靜強度工況二下蓄電池箱體的應力云圖。

3.2 疲勞強度分析結果

由表5可以得出：疲勞強度工況七下蓄電池箱體產生最大主應力值25.7MPa，位置位于左前吊座處，未超過非打磨焊縫的疲勞極限，所以蓄電池箱體的疲勞強度滿足標準要求。圖6給出了蓄電池箱體疲勞強度工況七下的應力云圖。

3.3 模態(tài)分析結果

蓄電池箱體的模態(tài)分析結果如表6所示，其前6階模態(tài)振型如圖7所示。

3.4 沖擊響應分析結果

由表7可以得出：縱向沖擊響應工況下蓄電池箱體產生最大vonMises應力值194.5MPa，位置位于電池臺車與擺臂連接處，沒有超過材料的屈服極限，所以蓄電池箱體的沖擊響應滿足標準要求。圖8給出了蓄電池箱體縱向沖擊響應工況的應力云圖。

4 結論

通過對蓄電池箱體進行靜強度、疲勞強度、沖擊響應工況和模態(tài)的仿真分析，得出如下結論。

（1）靜強度分析中，蓄電池箱體的最大vonMises應力值為105.8MPa，位置位于臺車右后端與擺臂連接處，安全系數為1.98，所以蓄電池箱體的靜強度滿足標準要求。

（2）疲勞強度分析中，蓄電池箱體的最大主應力值為25.7MPa，位置位于左前吊座處，小于非打磨焊縫的

疲勞極限，所以蓄電池箱體的疲勞強度滿足標準要求。

（3）沖擊響應分析結果表明，在縱向沖擊加速度作用下，蓄電池箱體的最大vonMises應力值為1945MPa，發(fā)生在縱向沖擊工況中，位置位于電池臺車與擺臂連接處，沒有超出材料的屈服極限，所以蓄電池箱體的沖擊響應滿足標準要求。

（4）模態(tài)分析中，蓄電池箱體一階頻率為23339Hz。

綜合上述計算分析可知，該地鐵車輛蓄電池箱體的結構強度滿足要求。

參考文獻

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