軌道車輛電池箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析

呂志東 曾介心

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430061）

1 概述

軌道車輛在線路上運(yùn)行時(shí)會(huì)有三個(gè)方向的加速度對(duì)車輛設(shè)備產(chǎn)生影響，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663的要求，電池箱結(jié)構(gòu)在加速度作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力要低于材料屈服強(qiáng)度，電池箱結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下的焊縫壽命要達(dá)到1000萬(wàn)次循環(huán)載荷作用的要求[1]，利用有限元方法對(duì)電池箱進(jìn)行靜強(qiáng)度及焊接疲勞計(jì)算評(píng)估，碳鋼梁承載箱體的重量和車體連接，重點(diǎn)關(guān)注碳鋼梁的強(qiáng)度。

2 電池箱結(jié)構(gòu)有限元模型

電池箱結(jié)構(gòu)包括箱體和碳鋼梁兩部分，碳鋼梁通過緊固件安裝于車體，箱體通過緊固件安裝于碳鋼梁上，箱體材料為06Cr19Ni10，碳鋼梁材料為Q345，箱體和碳鋼梁本身都是焊接件。在有限元模型中對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，箱體和碳鋼梁主要結(jié)構(gòu)采用shell單元、導(dǎo)軌采用solid單元、螺栓連接用RBE2單元進(jìn)行模擬，電池組模塊采用MASS單元和RBE3單元連接，有限元模型見圖1所示。碳鋼梁和車體的連掛點(diǎn)施加全約束，約束如圖2所示。

圖1 箱內(nèi)有限元模型

圖2 約束

3 電池箱結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)，XYZ三個(gè)方向的加速度如表1所示，X方向?yàn)檐囕v前進(jìn)方向，Y方向?yàn)檐囕v寬度方向，Z方向?yàn)楦叨确较颉?/p>

表1 工況載荷

3.1 靜強(qiáng)度工況結(jié)果數(shù)據(jù)

靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2所示，由結(jié)果數(shù)據(jù)可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況3，最大應(yīng)力值為246.2 MPa，位置在碳鋼梁上，工況3的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)如圖3-4所示。

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖3 工況3位移

圖4 工況3應(yīng)力

3.2 疲勞工況結(jié)果數(shù)據(jù)

焊縫單元中提取方向應(yīng)力及剪切應(yīng)力用于評(píng)估焊縫疲勞壽命，從計(jì)算結(jié)果可知，疲勞工況下方向應(yīng)力較大區(qū)域都在碳鋼梁焊縫，圖5所示為電池箱結(jié)構(gòu)的焊縫單元，將垂直于焊縫的應(yīng)力命名為方向應(yīng)力A，平行于焊縫的應(yīng)力命名為方向應(yīng)力B，碳鋼梁焊縫方向應(yīng)力A最大值35.4 MPa，方向應(yīng)力B最大值32.1 MPa，剪切應(yīng)力最大值9.6 Mpa。

圖5 焊縫單元

3.3 疲勞評(píng)估計(jì)算

電池箱結(jié)構(gòu)主要焊縫均為熔透焊縫，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN1993-1-9，鋼結(jié)構(gòu)的T型接頭全熔透焊縫在200萬(wàn)次循環(huán)載荷作用時(shí)垂直于焊縫的疲勞強(qiáng)度為80Mpa，平行于焊縫的疲勞強(qiáng)度也取值為80Mpa[2]。剪切應(yīng)力在1000萬(wàn)次循環(huán)載荷作用時(shí)的疲勞強(qiáng)度根據(jù)EN1993標(biāo)準(zhǔn)的SN曲線獲得，其值為58MPa[2]。角焊縫雖然疲勞強(qiáng)度較低，但本次計(jì)算結(jié)果中角焊縫應(yīng)力數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于疲勞強(qiáng)度，所以不做考慮。

根據(jù)EN1993-1-9標(biāo)準(zhǔn)，按式（1）計(jì)算在循環(huán)載荷1000萬(wàn)次時(shí)方向應(yīng)力A和B的疲勞強(qiáng)度值為53.7 MPa。

根據(jù)EN1993-1-9，按式（2）計(jì)算疲勞系數(shù)，疲勞系數(shù)小于等于1時(shí)焊縫的疲勞壽命能夠滿足1000萬(wàn)次。

γFr、γMf為安全系數(shù)，取值為1.15。

將方向應(yīng)力A、B的最大值分別和剪切應(yīng)力最大值帶入式（2），獲得疲勞系數(shù)UA和UB，雖然方向應(yīng)力最大值和剪切應(yīng)力最大值不在同一個(gè)單元上，但是這種全部用最大值計(jì)算的方法能夠保證設(shè)計(jì)的安全余量較高，得到疲勞系數(shù)UA為0.66 ，疲勞系數(shù)UB為0.49。

4 結(jié)論

4.1 電池箱結(jié)構(gòu)中碳鋼梁的靜強(qiáng)度工況最大應(yīng)力為246.2 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，不會(huì)發(fā)生塑性變形。

4.2 疲勞系數(shù)UA為0.66 ，疲勞系數(shù)UB為0.49 ，均小于1，表明碳鋼梁焊縫的疲勞壽命能夠達(dá)到1000萬(wàn)次要求。