400 km/h高速列車蓄電池箱體結(jié)構(gòu)有限元仿真

王 雷，李家衡 ，張英波

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

0 前言

400 km/h高速列車蓄電池箱體為列車車廂底部的懸掛系統(tǒng)設(shè)備，主要用于承載蓄電池組，同時(shí)檢測和保護(hù)其充放電過程，是列車備用電源系統(tǒng)的重要組成部分[1]。傳統(tǒng)軌道車輛蓄電池箱的主體框架主要由方管鋼型材及折彎鋼板焊接結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)較重。本研究設(shè)計(jì)了一種以鋁合金型材及折彎板為主要結(jié)構(gòu)件的新型蓄電池箱體，實(shí)現(xiàn)了箱體結(jié)構(gòu)的輕量化，有利于列車提速和降低能耗。

在列車高速運(yùn)行中，蓄電池箱隨著車體振動而振動，不斷承受沖擊載荷作用。在新型蓄電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為保證其安全運(yùn)行并具有可靠的壽命，分析箱體結(jié)構(gòu)在振動工況下的振動特性和極限工況（如緊急制動、急轉(zhuǎn)彎等情形）下的強(qiáng)度問題。

本研究以蓄電池箱作為研究對象，利用Ansys Workbench軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)分析和極限工況下的強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了400 km/h高速列車蓄電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

1 蓄電池箱幾何模型與材料參數(shù)

Solidworks構(gòu)建蓄電池箱體的三維模型如圖1所示。箱體長3 072 mm，寬1 711 mm，高574 mm，主要由蒙皮、外箱門、箱體框架、臺車等部件組成。箱體結(jié)構(gòu)以焊接連接為主，螺栓連接為輔?？蚣芎团_車的主要焊縫位置如圖2所示。

圖1 蓄電池箱幾何模型

圖2 框架和臺車的主要焊縫位置（對稱處未標(biāo)記）

蓄電池箱框架為6061軋制態(tài)鋁合金，導(dǎo)軌為7005鋁合金，臺車相關(guān)板材、蒙皮及外箱門選用3 mm厚的5083鋁板。材料屬性如表1所示。

2 有限元模型

2.1 模型簡化

在進(jìn)行有限元分析前，對實(shí)體幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，在保證計(jì)算精度的前提下盡可能地提高計(jì)算效率：（1）忽略一些非關(guān)鍵承載件，如左右蒙皮、頂蒙皮及外箱門；（2）簡化一些對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度幾乎沒有影響的細(xì)小圓角和倒角；（3）箱體主框架多為縱橫梁交叉咬合后經(jīng)焊接連接而成，存在大量焊接連接區(qū)域，可采用合并節(jié)點(diǎn)的形式來模擬焊縫[4]；（4）假設(shè)焊縫處材料屬性與母材完全一致，且所有接頭為無焊接缺陷的全焊透接頭。簡化后的蓄電池箱幾何模型見圖3。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化動車組110 V蓄電池箱材料屬性

圖3 蓄電池箱的簡化幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

在Ansys Workbench軟件的Mesh模塊對簡化后的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共離散出315 605個(gè)六面體占主導(dǎo)的實(shí)體單元。蓄電池箱有限元模型如圖4a所示，x軸為列車縱向，y軸為列車橫向方向，z軸為列車豎直方向。圖4b為網(wǎng)格的局部放大圖。

2.3 載荷工況與邊界條件

根據(jù)DIN EN 12663《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》，計(jì)算蓄電池箱靜強(qiáng)度的載荷工況應(yīng)考慮列車在行駛過程中的3個(gè)加速度：列車縱向（x向）加速度、列車橫向（y向）加速度、列車豎直方向（z向）加速度。重點(diǎn)考核3個(gè)方向加速度的工況組合情況，如表2所示。在各工況計(jì)算中，位移約束條件為吊耳安裝孔位，電池組相關(guān)電器元件及附件以質(zhì)量單元的形式施加在電池箱相應(yīng)承載部位。施加完邊界條件和設(shè)備質(zhì)量單元的有限元計(jì)算模型如圖5所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 模態(tài)結(jié)果分析

圖4 蓄電池箱的有限元模型

在列車行駛過程中，蓄電池箱會承受來自外界的多種激勵(lì)共同作用，如果激勵(lì)頻率與電池箱的固有頻率相近，則會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，極大影響電池的使用壽命及其安全可靠性。因此，有必要通過模態(tài)分析來了解結(jié)構(gòu)的振動特性，為進(jìn)一步優(yōu)化蓄電池箱結(jié)構(gòu)提供分析依據(jù)。

對于蓄電池箱體的模態(tài)分析，主要考慮其低階自由模態(tài)（前6階，如表3所示）。各階段對應(yīng)的模態(tài)振型如圖6所示。鋁合金車體的自振頻率通常為8～13 Hz[5]，而蓄電池箱一階模態(tài)為 28.18 Hz，基本不會和車體產(chǎn)生共振。

表2 8個(gè)不同極限工況下加速度載荷

圖5 施加邊界條件后的計(jì)算模型

圖6 自由模態(tài)振型

表3 蓄電池箱的固有頻率 Hz

3.2 靜強(qiáng)度結(jié)果分析

（1）位移分析結(jié)果。各工況下蓄電池箱總位移量如表4所示。在工況一下蓄電池箱位移量相對最大，工況一下箱體變形如圖7所示。

表4 位移量結(jié)果

圖7 工況一下箱體變形圖

（2）靜強(qiáng)度分析結(jié)果。強(qiáng)度評定準(zhǔn)則：根據(jù)DIN EN 12663《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定，蓄電池箱結(jié)構(gòu)在各工況的載荷綜合作用下，材料的許用應(yīng)力與計(jì)算等效應(yīng)力之比應(yīng)不小于DIN EN 12663第3.4.2節(jié)中規(guī)定的安全系數(shù)SI（若材料許用應(yīng)力值取其屈服應(yīng)力值進(jìn)行校核，則SI為1.15，若材料許用應(yīng)力值取其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，則SI為1.5）。即

式中 Rp0.2為材料的許用應(yīng)力；σb為材料的抗拉強(qiáng)度；σc為計(jì)算得到的等效應(yīng)力。工況一下蓄電池箱的各關(guān)鍵零部件應(yīng)力分布如圖8所示，安全評估信息如表5所示。蓄電池箱各關(guān)鍵零部件在8個(gè)工況 下安全系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

圖8 蓄電池箱的各關(guān)鍵零部件應(yīng)力分布

表5 工況一下關(guān)鍵零部件的安全評估

表6 8個(gè)工況下關(guān)鍵零部件的安全系數(shù)（系數(shù)1；系數(shù)2）

4 結(jié)論

利用Ansys Workbench對標(biāo)準(zhǔn)化動車組110 V蓄電池箱進(jìn)行了模態(tài)分析和極限工況下的靜強(qiáng)度分析，得出以下結(jié)論：

（1）蓄電池箱一階固有頻率為28.18 Hz，高于車體自振頻率。

（2）蓄電池箱在工況一下的變形量最大，最大變形區(qū)域位于底部蒙皮，總變形量為1.748 9 mm。

（3）在8個(gè)極限工況下，蓄電池箱的最大等效應(yīng)力為214.41 MPa，關(guān)鍵零部件的安全系數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，蓄電池箱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理。