基于Workbench 研究鐵路客車用新型蓄電池箱靜強度及模態分析

徐輝

(無錫金鑫集團股份有限公司,江蘇 無錫 214000)

1 概述

鐵路客車車下吊掛件蓄電池箱是存放蓄電池組以保證列車安全運行的重要部件。蓄電池箱在以車輛設計時速為120km/h 運行時,吊掛在車下會面臨各種復雜工況,因此,保證箱體的強度和避免共振顯得十分必要。本文以蓄電池箱為研究對象,采用Solidworks 軟件建立了蓄電池箱三維模型。通過改變格式導入到Workbench 進行靜態結構分析和有預應力模態分析,計算出蓄電池箱的最大形變量、最大等效應力以及模態振動頻率,為后續蓄電池箱的結構優化設計提供依據。

2 蓄電池箱簡介

蓄電池箱采用框架式結構,主要由箱體組成、箱門組成、托盤三大部件。其中,箱門設置有防開裝置,運行中能提高安全可靠性能；蓄電池裝載在玻璃鋼托盤中,以防止蓄電池漏液引起箱體腐蝕；箱體設有橫向和縱向緊固機構,避免列車運行中蓄電池晃動及磕碰。蓄電池箱箱體背板及頂板有通風裝置,自然通風不會使氫氣聚集[1],避免發生爆炸,為了滿足維修與保養的需要,所有部件都應為易拆卸型。

3 蓄電池箱有限元模建立

3.1 蓄電池箱實體幾何模型

蓄電池箱的幾何模型如圖1 所示。鐵路客車用蓄電池箱是通過四個吊座的4 顆螺栓與車體底架橫梁連接。螺栓材質為A2-70,等級為8.8 級。

圖1 蓄電池箱三維模型

3.2 蓄電池箱有限元網格劃分

本文采用四面體單元對蓄電池箱幾何模型進行網格劃分,基本單元尺寸為5mm,共形成1380537 個節點和711187個單元。結合蓄電池箱實際裝車情況,對梯度過渡較大和應力集中的部位單獨進行了幾何體網格細化,生成的蓄電池箱有限元網格劃分模型如圖2 所示。

圖2 蓄電池箱網格劃分模型

3.3 蓄電池箱材料屬性

蓄電池箱箱體主要材質為06Cr19Ni10,具有良好的抗腐蝕性能和操作性。外形尺寸899*400*405,箱體單重約200KG(另蓄電池箱有4 只鉛酸蓄電池約88KG),屬于車下吊掛件,在車輛運行沖擊和振動下,需保證箱體的強度。所用材料屬性如表1 所示。

表1 蓄電池箱材料參數

3.4 蓄電池箱計算工況及邊界條件

根據相關振動沖擊試驗標準并考慮蓄電池箱的振動模態,將振動沖擊加速度作為安裝吊座的計算載荷。計算蓄電池箱在裝載4 個鉛酸電池下,進行蓄電池箱及安裝吊座的強度分析和有預應力情況下的模態分析。約定車輛橫向為X方向(軌道客車行駛方向),車輛縱向為Y 方向(枕木方向),車輛垂向為Z 方向(垂直于地平面方向)。按照標準EN12663的要求在有限元計算中將加速度載荷進行組合,表2 為其組合工況及計算應力結果列表。

表2 組合工況列表

4 計算結果分析

4.1 強度分析

表3 是新型蓄電池箱及安裝吊座在裝載四塊蓄電池時,在三向沖擊載荷工況下的Von-Mises 等效應力云圖。由表可見,在工況4 中,橫向加速度、縱向加速度、垂向加速度分別為-1g、+3g、-3g 沖擊載荷時,新型蓄電池箱及安裝吊座的應力值最大,最大值分別為105.15MPa、18.24MPa,發生在箱門底部及安裝吊座固定螺栓孔處。在三向沖擊載荷下,8 種工況的最大等效應力值均小于材料的屈服強度,因此滿足設計要求。

表3 新型蓄電池箱及安裝吊座在組合工況下最大應力值

4.2 模態分析

鐵路客車運行時,車輪與軌道間必定會引起客車各系統部件的種種振動。圖3(a)～(h)是新型蓄電池箱裝載蓄電池時在三向沖擊載荷各工況下的模態分析第一階模態云圖。計算結果說明變形都出現在蓄電池箱箱門上,說明該箱門為模型的最薄弱區域。由于外界隨機激勵頻率[2]為0.5～30Hz,而本文計算的新型蓄電池箱各工況模態的第一階模態頻率均遠大于外界隨機激勵頻率,說明該新型蓄電池箱在鐵路客車運行時不會發生共振[3-8]現象(表4)。

圖3 新型蓄電池箱第一節模態分析云圖

表4 新型蓄電池箱模態分析前四階固有頻率

5 結論

通過建立新型蓄電池箱有限元仿真模型,完成新型蓄電池箱在三向沖擊載荷工況下的靜強度分析計算和模態分析計算,并驗證了該新型蓄電池箱的結構安全可靠。計算結果表明,在三向沖擊載荷組合的8 種工況下,新型蓄電池箱和安裝吊座結構的最大等效應力Von-Mises 均低于材料06Cr19Ni10 的屈服強度,因而蓄電池箱和安裝吊座結構的靜強度滿足設計要求；從模態計算分析得出,在三向沖擊載荷組合的8 種工況下,新型蓄電池箱的第一階固有頻率均遠大于外界隨機激勵頻率,避免了該部件因共振而降低結構強度的可能性。