400 km/h高速列车蓄电池箱体结构有限元仿真

王 雷，李家衡 ，张英波

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

0 前言

400 km/h高速列车蓄电池箱体为列车车厢底部的悬挂系统设备，主要用于承载蓄电池组，同时检测和保护其充放电过程，是列车备用电源系统的重要组成部分[1]。传统轨道车辆蓄电池箱的主体框架主要由方管钢型材及折弯钢板焊接结构组成，结构较重。本研究设计了一种以铝合金型材及折弯板为主要结构件的新型蓄电池箱体，实现了箱体结构的轻量化，有利于列车提速和降低能耗。

在列车高速运行中，蓄电池箱随着车体振动而振动，不断承受冲击载荷作用。在新型蓄电池箱的结构设计过程中，为保证其安全运行并具有可靠的寿命，分析箱体结构在振动工况下的振动特性和极限工况（如紧急制动、急转弯等情形）下的强度问题。

本研究以蓄电池箱作为研究对象，利用Ansys Workbench软件进行结构的自由模态分析和极限工况下的强度分析，验证了400 km/h高速列车蓄电池箱体的结构设计合理性。

1 蓄电池箱几何模型与材料参数

Solidworks构建蓄电池箱体的三维模型如图1所示。箱体长3 072 mm，宽1 711 mm，高574 mm，主要由蒙皮、外箱门、箱体框架、台车等部件组成。箱体结构以焊接连接为主，螺栓连接为辅。框架和台车的主要焊缝位置如图2所示。

图1 蓄电池箱几何模型

图2 框架和台车的主要焊缝位置（对称处未标记）

蓄电池箱框架为6061轧制态铝合金，导轨为7005铝合金，台车相关板材、蒙皮及外箱门选用3 mm厚的5083铝板。材料属性如表1所示。

2 有限元模型

2.1 模型简化

在进行有限元分析前，对实体几何模型进行适当简化，在保证计算精度的前提下尽可能地提高计算效率：（1）忽略一些非关键承载件，如左右蒙皮、顶蒙皮及外箱门；（2）简化一些对结构强度几乎没有影响的细小圆角和倒角；（3）箱体主框架多为纵横梁交叉咬合后经焊接连接而成，存在大量焊接连接区域，可采用合并节点的形式来模拟焊缝[4]；（4）假设焊缝处材料属性与母材完全一致，且所有接头为无焊接缺陷的全焊透接头。简化后的蓄电池箱几何模型见图3。

表1 标准化动车组110 V蓄电池箱材料属性

图3 蓄电池箱的简化几何模型

2.2 网格划分

在Ansys Workbench软件的Mesh模块对简化后的几何模型进行网格划分，共离散出315 605个六面体占主导的实体单元。蓄电池箱有限元模型如图4a所示，x轴为列车纵向，y轴为列车横向方向，z轴为列车竖直方向。图4b为网格的局部放大图。

2.3 载荷工况与边界条件

根据DIN EN 12663《铁道车辆车体结构要求》，计算蓄电池箱静强度的载荷工况应考虑列车在行驶过程中的3个加速度：列车纵向（x向）加速度、列车横向（y向）加速度、列车竖直方向（z向）加速度。重点考核3个方向加速度的工况组合情况，如表2所示。在各工况计算中，位移约束条件为吊耳安装孔位，电池组相关电器元件及附件以质量单元的形式施加在电池箱相应承载部位。施加完边界条件和设备质量单元的有限元计算模型如图5所示。

3 计算结果与分析

3.1 模态结果分析

图4 蓄电池箱的有限元模型

在列车行驶过程中，蓄电池箱会承受来自外界的多种激励共同作用，如果激励频率与电池箱的固有频率相近，则会产生共振现象，导致结构变形，极大影响电池的使用寿命及其安全可靠性。因此，有必要通过模态分析来了解结构的振动特性，为进一步优化蓄电池箱结构提供分析依据。

对于蓄电池箱体的模态分析，主要考虑其低阶自由模态（前6阶，如表3所示）。各阶段对应的模态振型如图6所示。铝合金车体的自振频率通常为8～13 Hz[5]，而蓄电池箱一阶模态为 28.18 Hz，基本不会和车体产生共振。

表2 8个不同极限工况下加速度载荷

图5 施加边界条件后的计算模型

图6 自由模态振型

表3 蓄电池箱的固有频率 Hz

3.2 静强度结果分析

（1）位移分析结果。各工况下蓄电池箱总位移量如表4所示。在工况一下蓄电池箱位移量相对最大，工况一下箱体变形如图7所示。

表4 位移量结果

图7 工况一下箱体变形图

（2）静强度分析结果。强度评定准则：根据DIN EN 12663《铁道车辆车体结构要求》规定，蓄电池箱结构在各工况的载荷综合作用下，材料的许用应力与计算等效应力之比应不小于DIN EN 12663第3.4.2节中规定的安全系数SI（若材料许用应力值取其屈服应力值进行校核，则SI为1.15，若材料许用应力值取其抗拉强度进行校核，则SI为1.5）。即

式中 Rp0.2为材料的许用应力；σb为材料的抗拉强度；σc为计算得到的等效应力。工况一下蓄电池箱的各关键零部件应力分布如图8所示，安全评估信息如表5所示。蓄电池箱各关键零部件在8个工况 下安全系数汇总如表6所示。

图8 蓄电池箱的各关键零部件应力分布

表5 工况一下关键零部件的安全评估

表6 8个工况下关键零部件的安全系数（系数1；系数2）

4 结论

利用Ansys Workbench对标准化动车组110 V蓄电池箱进行了模态分析和极限工况下的静强度分析，得出以下结论：

（1）蓄电池箱一阶固有频率为28.18 Hz，高于车体自振频率。

（2）蓄电池箱在工况一下的变形量最大，最大变形区域位于底部蒙皮，总变形量为1.748 9 mm。

（3）在8个极限工况下，蓄电池箱的最大等效应力为214.41 MPa，关键零部件的安全系数满足标准要求。因此，蓄电池箱的强度设计合理。