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地铁车辆蓄电池箱强度与模态有限元仿真分析

姜焙晨 赵子豪 展旭和

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程中心,山东青岛266111）

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BSEN12663-1:2010《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,蓄电池箱体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.16723198.2017.14.101

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.

图2蓄电池箱有限元模型

2计算工况及边界条件

依据BSEN12663-1:2010《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

2.2疲劳强度工况

根据BSEN12663-1:2010,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类要求,冲击的加速度理想化为标准半波正弦（y等于Asinx）,如图3所示.

图3加速度时间历程

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.

图4蓄电池箱约束条件

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

〖FL）〗

〖FQ（+63mm\.170mm,X,BP-W〗

〖HS1*2〗〖CD170mm〗

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1945MPa,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23339Hz.

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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