新型卧铺动车组蓄电池箱静强度与疲劳强度分析

段贵宾

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111）

新型卧铺动车组蓄电池箱静强度与疲劳强度分析

段贵宾

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111）

使用ABAQ US有限元软件对新型卧铺动车组蓄电池箱进行静强度与疲劳强度分析，通过hyperm esh进行几何处理和单元网格划分，静强度与疲劳强度分析参照BSEN 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》。

蓄电池箱；有限元法；静强度；疲劳强度

0 引言

动车组蓄电池箱系统主要包括蓄电池组、蓄电池箱及接触器箱，过压抑制器，温控器组成，接触器箱与蓄电池箱体集成在一起。

蓄电池箱由箱体、箱门及电池车组成。其中箱体框架由高强度碳钢板折弯拼焊而成，箱体顶端设有通气帽装置，保障蓄电池工作时的通风，通气帽安装橡胶衬垫及钢丝过滤网，可防止灰尘进入箱体。箱门采用高强度碳钢板焊接而成，设计使用钩扣锁紧固，可保证箱门安全稳固的锁紧。箱门上装有密封胶条，箱门锁紧状态下，密封胶条被压缩形成密封面，可保证箱门和箱体结合面不出现漏水。电池车组成由高强度碳钢板焊接而成。台车底部安装滚轮在箱体导轨上滚动，通过人工推拉使台车方便进出箱体。关闭箱门后台车被完全挤紧。

新型卧铺动车组蓄电池箱因车下设备安装空间限制，其结构形式与既有动车组蓄电池箱有所不同，通过使用有限元软件对蓄电池箱进行静强度与疲劳强度分析，验证设计结构是否满足运营要求。

1 仿真建模参数

蓄电池箱主要由箱体、蒙板、电池小车、前后箱门、通气帽及12块蓄电池组成。其中，箱体为主要承载部件，板厚主要有3 mm、4 mm和6 mm，吊座厚为6 mm；电池小车的板厚为2 mm。蓄电池箱体设计重量125 kg，12块蓄电池重量约为275 kg，电池小车重量为35 kg，蓄电池箱组成总重为435 kg。箱体和前箱门框架采用Q345E钢板，左、右、顶蒙板采用5754-H22铝板，电池小车、后箱门、底蒙板及通气帽采用06Cr19Ni10材料。

蓄电池箱利用6个螺栓通过吊座安装在车体底架上。根据蓄电池箱的吊挂位置，规定沿车体纵向为蓄电池箱的纵向（Z向），沿车体横向为蓄电池箱的横向（X向），沿车体垂向为蓄电池箱的垂向（Y向）。

2 有限元模型

首先根据蓄电池箱组成的实际结构和尺寸建立几何模型，采用Hypermesh软件对蓄电池箱的几何模型进行离散。因为蓄电池箱结构属于弹性薄壳结构，所以分析中采用壳单元，部分安装座采用实体单元，整个模型包括73611个单元和77657个节点，蓄电池箱有限元模型如图1所示。

图1 蓄电池箱有限元模型

3 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和工况。蓄电池箱静强度计算工况选取如下：

工况一：z向3g,y向-1.5g,x向1g；

工况二：z向-3g,y向-1.5g,x向1g；

工况三：z向3g,y向-1.5g,x向-1g；

工况四：z向-3g,y向-1.5g,x向-1g；

注：g为重力加速度。

蓄电池箱疲劳强度计算工况选取如下：

工况五：z向0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工况六：z向-0.15g，y向-1.15g，x向0.15g；

工况七：z向0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g；

工况八：z向-0.15g，y向-1.15g，x向-0.15g。

4 计算结果与分析

（1）静强度分析结果。超常工况下蓄电池箱体最大应力值为171.79 MPa，安全系数为2.01，满足标准要求，如下：工况一：电池小车止挡与前箱门连接处，应力值171.79 MPa，屈服极限345 MPa，安全系数2.01；工况二：电池小车止挡与前箱门连接处，应力值151.82 MPa，屈服极限345 MPa，安全系数2.27；工况三：电池小车前止挡，应力值139.08 MPa，屈服极限345 MPa，安全系数2.48；工况四：电池小车前止挡，应力值140.02 MPa，屈服极限345 MPa，安全系数2.46。

超常工况下电池小车最大应力值为141.85 MPa，安全系数为1.48，满足标准要求。

（2）疲劳强度分析结果。蓄电池箱体疲劳工况中最大主应力值为62.87 MPa，未超过非打磨焊缝的疲劳极限，因此蓄电池箱体的疲劳强度满足标准要求。电池小车疲劳工况中最大主应力值为52.60 MPa，小于非打磨焊缝的疲劳极限，因此电池小车的疲劳强度满足设计要求。

5 结论

对蓄电池箱组成进行了静强度、疲劳强度的仿真分析，主要结论如下：

静强度分析中，蓄电池箱体的最大VONMises应力为171.79 MPa，安全系数为2.01，发生在电池小车止挡与前箱门连接处，满足标准要求；电池小车的最大VONMises应力为141.85 MPa，安全系数为1.48，发生在电池小车与前止挡连接处，满足标准要求。

疲劳强度分析中，蓄电池箱体的最大主应力为62.87 MPa，安全系数为1.11，发生在电池小车止挡与前箱门连接处，满足标准要求；电池小车的最大主应力为52.60 MPa，安全系数为1.33，在电池小车与前止挡连接处，满足标准要求。

图5

4 结语

通过以上内容我们能够了解到，连铸材料在用维氏硬度法进行硬化层深度检测的时候具有一定的局限性，经常会发生硬度波动，从而造成检验的结果无法反映出实际情况。不过利用HR A方法则可以很好的解决这一问题，它能够为评价硬化层深度找到合理的依据，同时也可以反映硬化层区域范围内硬度的变化情况，从而让硬化层深度能够具有唯一性。

[1]高长旭，邢振平，李博.感应加热淬火硬化层深度检测方法探讨[J].哈尔滨轴承，2015,04:33～36.

[2]关元清.淬火硬化层深度的超声波测量[J].建筑机械，2015,06:106～107.

U270.38

A

1671-0711（2016）10（上）-0084-02