地铁车辆蓄电池箱强度及模态有限元仿真分析

姜焙晨++赵子豪++展旭和

摘 要：使用有限元软件Hyperworks对地铁车辆蓄电池箱体进行四项仿真分析：静强度分析、疲劳强度分析、冲击响应分析和模态分析。其中，静强度与疲劳强度分析参照BS EN 12663-1：2010《铁路应用-铁路车辆车身的结构要求 第1部分：机车和客运车辆》；冲击响应分析参照标准IEC61373-2010中的I类A级要求。通过仿真计算得出以下结论：（1）静强度工况中，蓄电池箱的最大vonMises应力值小于材料的屈服极限；（2）疲劳强度工况中，蓄电池箱體的最大主应力值小于非打磨焊缝的疲劳极限；（3）冲击响应工况中，蓄电池箱体的最大vonMises应力值小于材料的屈服极限；（4）模态分析中，蓄电池箱的1阶固有模态频率值为23.339Hz。

关键词：有限元法；静强度；疲劳强度；冲击响应；模态

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.14.101

1 前言

该型地铁车辆的蓄电池箱主要由箱体框架、蒙板、摆臂、电池台车、箱门、通气帽、配电箱和蓄电池组成。其中，箱体框架为主要承载部件，型材厚度主要是3mm和4mm。

蓄电池箱通过6个吊座，共6个孔，吊挂在车下，其安装形式如图1所示。根据蓄电池箱的吊挂位置，本文规定沿车体纵向为蓄电池箱的纵向（X向），沿车体垂向为蓄电池箱的垂向（Y向），沿车体横向为蓄电池箱的横向（Z向）。

图1 蓄电池箱安装形式

框架、下蒙板、摆臂、电池台车、轴承材料为不锈钢06Cr19Ni10，其他蒙板及箱门盖板材料为铝合金5083-H111。蓄电池箱各组成部件的材料参数如表1所示。

根据蓄电池箱组成的实际结构和尺寸建立几何模型，去除了部分对结构强度没有影响的电器件和孔洞，保留主要的承载结构。采用Hypermesh软件对蓄电池箱的几何模型进行有限元网格划分。

因为蓄电池箱结构属于弹性薄壳结构，所以分析中采用PSHELL单元，蓄电池及部分结构采用实体PSOLD单元，整个模型包括482552个单元和496286个节点，蓄电池箱有限元模型如图2所示。

2 计算工况及边界条件

依据BS EN 12663-1：2010《铁路应用-铁路车辆车身的结构要求 第1部分：机车和客运车辆》标准来制定蓄电池箱的静强度和疲劳强度分析的载荷，根据IEC61373-2010标准中I类A级的要求制定蓄电池箱的冲击载荷，制定如下计算载荷和工况。

2.1 静强度工况

根据BS EN 12663-1：2010，蓄电池箱静强度计算工况如表2所示。

2.2 疲劳强度工况

根据BS EN 12663-1：2010，蓄电池箱疲劳强度计算工况如表3所示。

2.3 冲击响应工况

冲击加速度：纵向为5g，横向为3g，垂向为3g。根据IEC61373-2010中的I类A级要求，冲击的加速度理想化为标准半波正弦（y=Asin x），如图3所示。

2.4 模态分析

计算蓄电池箱（包括蒙板）的前6阶模态，分别得到各阶模态所对应的振型图。

2.5 边界条件

所有计算工况均对蓄电池箱吊座进行全约束，如图4所示。

3 计算结果与分析

3.1 静强度分析结果

由表4可以得出：静强度工况二下蓄电池箱体产生最大vonMises应力值105.8MPa，位置位于台车右后端与摆臂连接处，安全系数为1.98，所以蓄电池箱体的静强度满足标准要求。图5给出了静强度工况二下蓄电池箱体的应力云图。

3.2 疲劳强度分析结果

由表5可以得出：疲劳强度工况七下蓄电池箱体产生最大主应力值25.7MPa，位置位于左前吊座处，未超过非打磨焊缝的疲劳极限，所以蓄电池箱体的疲劳强度满足标准要求。图6给出了蓄电池箱体疲劳强度工况七下的应力云图。

3.3 模态分析结果

蓄电池箱体的模态分析结果如表6所示，其前6阶模态振型如图7所示。

3.4 冲击响应分析结果

由表7可以得出：纵向冲击响应工况下蓄电池箱体产生最大vonMises应力值194.5MPa，位置位于电池台车与摆臂连接处，没有超过材料的屈服极限，所以蓄电池箱体的冲击响应满足标准要求。图8给出了蓄电池箱体纵向冲击响应工况的应力云图。

4 结论

通过对蓄电池箱体进行静强度、疲劳强度、冲击响应工况和模态的仿真分析，得出如下结论。

（1）静强度分析中，蓄电池箱体的最大vonMises应力值为105.8MPa，位置位于台车右后端与摆臂连接处，安全系数为1.98，所以蓄电池箱体的静强度满足标准要求。

（2）疲劳强度分析中，蓄电池箱体的最大主应力值为25.7MPa，位置位于左前吊座处，小于非打磨焊缝的

疲劳极限，所以蓄电池箱体的疲劳强度满足标准要求。

（3）冲击响应分析结果表明，在纵向冲击加速度作用下，蓄电池箱体的最大vonMises应力值为1945MPa，发生在纵向冲击工况中，位置位于电池台车与摆臂连接处，没有超出材料的屈服极限，所以蓄电池箱体的冲击响应满足标准要求。

（4）模态分析中，蓄电池箱体一阶频率为23339Hz。

综合上述计算分析可知，该地铁车辆蓄电池箱体的结构强度满足要求。

参考文献

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