基于HyperWorks的懸掛式空軌列車蓄電池箱沖擊響應仿真分析

弓瑞明，展旭和

（1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529000；2.國家高速列車青島技術創新中心，山東 青島 266000）

近年來，我國軌道交通的發展突飛猛進，同時也面臨著一些結構性問題：比如，上下班高峰時段擁堵嚴重，交通結構形式比較單一，震動噪音對周邊環境影響大。懸掛式空軌列車（以下簡稱“空軌列車”）作為中等運量的新型軌道交通工具，具有成本低、工期短的優點，逐步成為現代城市立體化交通發展的新選擇。早在100多年前，位于德國西部城市的烏帕塔爾市就已經建成世界首條懸掛式空軌，線路全長13.3km，中途以距地面12m的高度駛過烏帕河，每日運送乘客7.5萬人，是該市的城市名片和主要公共交通工具。懸掛式空中軌道車輛在國內沒有應用先例，學術性的研究和調研也少之又少，車體的構造及關鍵設備完全不同于普通地鐵車輛。蓄電池箱是空軌列車車下設備中的重要組成部件，用來承載空軌列車的蓄電池備用電源。蓄電池箱體結構的性能直接影響空軌列車的運行安全，因此，對該結構進行仿真優化具有重要意義。

國內外學者專家主要從設計和仿真兩個方面對軌道交通車輛的蓄電池箱進行研究。陳艷艷等設計了土耳其安卡拉地鐵車輛蓄電池箱的蓄電池類型、質量、使用環境等要素；中車四方股份姜焙晨等從有限元仿真計算方面校核了國內某地鐵車輛蓄電池箱的靜強度、疲勞強度和模態等；鄭天夫通過計算軌道交通車輛蓄電池箱的靜強度和疲勞強度，評定結構的安全性和疲勞破壞程度，并以此為依據優化蓄電池箱的結構主梁。

本文以空軌列車蓄電池箱為研究對象，使用Hyperworks有限元軟件進行沖擊響應有限元仿真分析，保障了空軌列車的安全性，為蓄電池箱的改進提供依據。

1 模型位置和材料參數

整體蓄電池箱通過四處安裝座固定在車頂部，使用M16螺栓，除安裝處外，蓄電池箱其余懸空。根據蓄電池箱的吊掛位置，本文規定沿車體縱向為蓄電池箱的縱向（X向），沿車體橫向為蓄電池箱的橫向（Z向），沿車體垂向為蓄電池箱的垂向（Y向）。

蓄電池箱主要由箱體、蒙板、電器件安裝板、箱門、蓄電池組成。其中，箱體為主要承載部件，蓄電池箱全部為鋁合金材質，主要型材材質為鋁合金6082‐T6，個別橫梁材質為6061-T6，薄板材質為5083‐H111，具體材料性能參數見表1。

表1 材料機械性能參數

2 計算工況

根據IEC61373-2010標準中I類A級的要求制定蓄電池箱的沖擊載荷，縱向沖擊加速度為5g，橫向沖擊加速度為3g，垂向沖擊加速度為3g，沖擊加速度理想化為標準半波正弦（y=Asin x），如圖1所示。

圖1 沖擊加速度

3 計算結果與分析

采用Optistruct求解器進行求解計算，結果見表2，各工況應力云圖見圖2。縱向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應力為57.41MPa，發生在安裝座處，未超過材料的屈服極限，滿足設計要求；橫向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應力為15.17MPa，發生在底部橫梁與縱梁交界處，未超過材料的屈服極限，滿足設計要求；垂向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應力為49.79MPa，發生在安裝座處，未超過材料的屈服極限，滿足設計要求。

表2 沖擊工況計算結果

圖2 沖擊工況von Mises應力云圖

4 結語

對懸掛式空軌列車蓄電池箱的有限元模型進行沖擊響應仿真分析，結果表明，蓄電池箱體的最大VON Mises應力為57.41MPa，發生在縱向沖擊工況下的安裝座處，安全系數為4.18，未超過材料的屈服極限，滿足標準要求。本文的研究可以為空軌列車蓄電池箱的進一步優化提供依據。