新型臥鋪動車組蓄電池箱靜強度與疲勞強度分析

段貴賓

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東 青島 266111）

新型臥鋪動車組蓄電池箱靜強度與疲勞強度分析

段貴賓

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東 青島 266111）

使用ABAQ US有限元軟件對新型臥鋪動車組蓄電池箱進行靜強度與疲勞強度分析，通過hyperm esh進行幾何處理和單元網格劃分，靜強度與疲勞強度分析參照BSEN 12663-1:2010《鐵路應用-鐵路車輛車身的結構要求第1部分：機車和客運車輛》。

蓄電池箱；有限元法；靜強度；疲勞強度

0 引言

動車組蓄電池箱系統主要包括蓄電池組、蓄電池箱及接觸器箱，過壓抑制器，溫控器組成，接觸器箱與蓄電池箱體集成在一起。

蓄電池箱由箱體、箱門及電池車組成。其中箱體框架由高強度碳鋼板折彎拼焊而成，箱體頂端設有通氣帽裝置，保障蓄電池工作時的通風，通氣帽安裝橡膠襯墊及鋼絲過濾網，可防止灰塵進入箱體。箱門采用高強度碳鋼板焊接而成，設計使用鉤扣鎖緊固，可保證箱門安全穩固的鎖緊。箱門上裝有密封膠條，箱門鎖緊狀態下，密封膠條被壓縮形成密封面，可保證箱門和箱體結合面不出現漏水。電池車組成由高強度碳鋼板焊接而成。臺車底部安裝滾輪在箱體導軌上滾動，通過人工推拉使臺車方便進出箱體。關閉箱門后臺車被完全擠緊。

新型臥鋪動車組蓄電池箱因車下設備安裝空間限制，其結構形式與既有動車組蓄電池箱有所不同，通過使用有限元軟件對蓄電池箱進行靜強度與疲勞強度分析，驗證設計結構是否滿足運營要求。

1 仿真建模參數

蓄電池箱主要由箱體、蒙板、電池小車、前后箱門、通氣帽及12塊蓄電池組成。其中，箱體為主要承載部件，板厚主要有3 mm、4 mm和6 mm，吊座厚為6 mm；電池小車的板厚為2 mm。蓄電池箱體設計重量125 kg，12塊蓄電池重量約為275 kg，電池小車重量為35 kg，蓄電池箱組成總重為435 kg。箱體和前箱門框架采用Q345E鋼板，左、右、頂蒙板采用5754-H22鋁板，電池小車、后箱門、底蒙板及通氣帽采用06Cr19Ni10材料。

蓄電池箱利用6個螺栓通過吊座安裝在車體底架上。根據蓄電池箱的吊掛位置，規定沿車體縱向為蓄電池箱的縱向（Z向），沿車體橫向為蓄電池箱的橫向（X向），沿車體垂向為蓄電池箱的垂向（Y向）。

2 有限元模型

首先根據蓄電池箱組成的實際結構和尺寸建立幾何模型，采用Hypermesh軟件對蓄電池箱的幾何模型進行離散。因為蓄電池箱結構屬于彈性薄殼結構，所以分析中采用殼單元，部分安裝座采用實體單元，整個模型包括73611個單元和77657個節點，蓄電池箱有限元模型如圖1所示。

圖1 蓄電池箱有限元模型

3 計算工況及邊界條件

依據BSEN12663-1:2010《鐵路應用-鐵路車輛車身的結構要求第1部分：機車和客運車輛》標準來制定蓄電池箱的靜強度和疲勞強度分析的載荷和工況。蓄電池箱靜強度計算工況選取如下：

工況一：z向3g,y向-1.5g,x向1g；

工況二：z向-3g,y向-1.5g,x向1g；

工況三：z向3g,y向-1.5g,x向-1g；

工況四：z向-3g,y向-1.5g,x向-1g；

注：g為重力加速度。

蓄電池箱疲勞強度計算工況選取如下：

工況五：z向0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工況六：z向-0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工況七：z向0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g；

工況八：z向-0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g。

4 計算結果與分析

（1）靜強度分析結果。超常工況下蓄電池箱體最大應力值為171.79 MPa，安全系數為2.01，滿足標準要求，如下：工況一：電池小車止擋與前箱門連接處，應力值171.79 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數2.01；工況二：電池小車止擋與前箱門連接處，應力值151.82 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數2.27；工況三：電池小車前止擋，應力值139.08 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數2.48；工況四：電池小車前止擋，應力值140.02 MPa，屈服極限345 MPa，安全系數2.46。

超常工況下電池小車最大應力值為141.85 MPa，安全系數為1.48，滿足標準要求。

（2）疲勞強度分析結果。蓄電池箱體疲勞工況中最大主應力值為62.87 MPa，未超過非打磨焊縫的疲勞極限，因此蓄電池箱體的疲勞強度滿足標準要求。電池小車疲勞工況中最大主應力值為52.60 MPa，小于非打磨焊縫的疲勞極限，因此電池小車的疲勞強度滿足設計要求。

5 結論

對蓄電池箱組成進行了靜強度、疲勞強度的仿真分析，主要結論如下：

靜強度分析中，蓄電池箱體的最大VONMises應力為171.79 MPa，安全系數為2.01，發生在電池小車止擋與前箱門連接處，滿足標準要求；電池小車的最大VONMises應力為141.85 MPa，安全系數為1.48，發生在電池小車與前止擋連接處，滿足標準要求。

疲勞強度分析中，蓄電池箱體的最大主應力為62.87 MPa，安全系數為1.11，發生在電池小車止擋與前箱門連接處，滿足標準要求；電池小車的最大主應力為52.60 MPa，安全系數為1.33，在電池小車與前止擋連接處，滿足標準要求。

圖5

4 結語

通過以上內容我們能夠了解到，連鑄材料在用維氏硬度法進行硬化層深度檢測的時候具有一定的局限性，經常會發生硬度波動，從而造成檢驗的結果無法反映出實際情況。不過利用HR A方法則可以很好的解決這一問題，它能夠為評價硬化層深度找到合理的依據，同時也可以反映硬化層區域范圍內硬度的變化情況，從而讓硬化層深度能夠具有唯一性。

[1]高長旭，邢振平，李博.感應加熱淬火硬化層深度檢測方法探討[J].哈爾濱軸承，2015,04:33～36.

[2]關元清.淬火硬化層深度的超聲波測量[J].建筑機械，2015,06:106～107.

U270.38

A

1671-0711（2016）10（上）-0084-02