基于Workbench 研究鐵路客車用新型蓄電池箱靜強(qiáng)度及模態(tài)分析

徐輝

(無(wú)錫金鑫集團(tuán)股份有限公司,江蘇 無(wú)錫 214000)

1 概述

鐵路客車車下吊掛件蓄電池箱是存放蓄電池組以保證列車安全運(yùn)行的重要部件。蓄電池箱在以車輛設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h 運(yùn)行時(shí),吊掛在車下會(huì)面臨各種復(fù)雜工況,因此,保證箱體的強(qiáng)度和避免共振顯得十分必要。本文以蓄電池箱為研究對(duì)象,采用Solidworks 軟件建立了蓄電池箱三維模型。通過改變格式導(dǎo)入到Workbench 進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,計(jì)算出蓄電池箱的最大形變量、最大等效應(yīng)力以及模態(tài)振動(dòng)頻率,為后續(xù)蓄電池箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 蓄電池箱簡(jiǎn)介

蓄電池箱采用框架式結(jié)構(gòu),主要由箱體組成、箱門組成、托盤三大部件。其中,箱門設(shè)置有防開裝置,運(yùn)行中能提高安全可靠性能；蓄電池裝載在玻璃鋼托盤中,以防止蓄電池漏液引起箱體腐蝕；箱體設(shè)有橫向和縱向緊固機(jī)構(gòu),避免列車運(yùn)行中蓄電池晃動(dòng)及磕碰。蓄電池箱箱體背板及頂板有通風(fēng)裝置,自然通風(fēng)不會(huì)使氫氣聚集[1],避免發(fā)生爆炸,為了滿足維修與保養(yǎng)的需要,所有部件都應(yīng)為易拆卸型。

3 蓄電池箱有限元模建立

3.1 蓄電池箱實(shí)體幾何模型

蓄電池箱的幾何模型如圖1 所示。鐵路客車用蓄電池箱是通過四個(gè)吊座的4 顆螺栓與車體底架橫梁連接。螺栓材質(zhì)為A2-70,等級(jí)為8.8 級(jí)。

圖1 蓄電池箱三維模型

3.2 蓄電池箱有限元網(wǎng)格劃分

本文采用四面體單元對(duì)蓄電池箱幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,基本單元尺寸為5mm,共形成1380537 個(gè)節(jié)點(diǎn)和711187個(gè)單元。結(jié)合蓄電池箱實(shí)際裝車情況,對(duì)梯度過渡較大和應(yīng)力集中的部位單獨(dú)進(jìn)行了幾何體網(wǎng)格細(xì)化,生成的蓄電池箱有限元網(wǎng)格劃分模型如圖2 所示。

圖2 蓄電池箱網(wǎng)格劃分模型

3.3 蓄電池箱材料屬性

蓄電池箱箱體主要材質(zhì)為06Cr19Ni10,具有良好的抗腐蝕性能和操作性。外形尺寸899*400*405,箱體單重約200KG(另蓄電池箱有4 只鉛酸蓄電池約88KG),屬于車下吊掛件,在車輛運(yùn)行沖擊和振動(dòng)下,需保證箱體的強(qiáng)度。所用材料屬性如表1 所示。

表1 蓄電池箱材料參數(shù)

3.4 蓄電池箱計(jì)算工況及邊界條件

根據(jù)相關(guān)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并考慮蓄電池箱的振動(dòng)模態(tài),將振動(dòng)沖擊加速度作為安裝吊座的計(jì)算載荷。計(jì)算蓄電池箱在裝載4 個(gè)鉛酸電池下,進(jìn)行蓄電池箱及安裝吊座的強(qiáng)度分析和有預(yù)應(yīng)力情況下的模態(tài)分析。約定車輛橫向?yàn)閄方向(軌道客車行駛方向),車輛縱向?yàn)閅 方向(枕木方向),車輛垂向?yàn)閆 方向(垂直于地平面方向)。按照標(biāo)準(zhǔn)EN12663的要求在有限元計(jì)算中將加速度載荷進(jìn)行組合,表2 為其組合工況及計(jì)算應(yīng)力結(jié)果列表。

表2 組合工況列表

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)度分析

表3 是新型蓄電池箱及安裝吊座在裝載四塊蓄電池時(shí),在三向沖擊載荷工況下的Von-Mises 等效應(yīng)力云圖。由表可見,在工況4 中,橫向加速度、縱向加速度、垂向加速度分別為-1g、+3g、-3g 沖擊載荷時(shí),新型蓄電池箱及安裝吊座的應(yīng)力值最大,最大值分別為105.15MPa、18.24MPa,發(fā)生在箱門底部及安裝吊座固定螺栓孔處。在三向沖擊載荷下,8 種工況的最大等效應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度,因此滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 新型蓄電池箱及安裝吊座在組合工況下最大應(yīng)力值

4.2 模態(tài)分析

鐵路客車運(yùn)行時(shí),車輪與軌道間必定會(huì)引起客車各系統(tǒng)部件的種種振動(dòng)。圖3(a)～(h)是新型蓄電池箱裝載蓄電池時(shí)在三向沖擊載荷各工況下的模態(tài)分析第一階模態(tài)云圖。計(jì)算結(jié)果說明變形都出現(xiàn)在蓄電池箱箱門上,說明該箱門為模型的最薄弱區(qū)域。由于外界隨機(jī)激勵(lì)頻率[2]為0.5～30Hz,而本文計(jì)算的新型蓄電池箱各工況模態(tài)的第一階模態(tài)頻率均遠(yuǎn)大于外界隨機(jī)激勵(lì)頻率,說明該新型蓄電池箱在鐵路客車運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生共振[3-8]現(xiàn)象(表4)。

圖3 新型蓄電池箱第一節(jié)模態(tài)分析云圖

表4 新型蓄電池箱模態(tài)分析前四階固有頻率

5 結(jié)論

通過建立新型蓄電池箱有限元仿真模型,完成新型蓄電池箱在三向沖擊載荷工況下的靜強(qiáng)度分析計(jì)算和模態(tài)分析計(jì)算,并驗(yàn)證了該新型蓄電池箱的結(jié)構(gòu)安全可靠。計(jì)算結(jié)果表明,在三向沖擊載荷組合的8 種工況下,新型蓄電池箱和安裝吊座結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力Von-Mises 均低于材料06Cr19Ni10 的屈服強(qiáng)度,因而蓄電池箱和安裝吊座結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；從模態(tài)計(jì)算分析得出,在三向沖擊載荷組合的8 種工況下,新型蓄電池箱的第一階固有頻率均遠(yuǎn)大于外界隨機(jī)激勵(lì)頻率,避免了該部件因共振而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可能性。