一种钣金结构铁路列车蓄电池箱静力学有限元分析

       以铁路列车某钣金结构蓄电池箱为研究对象，利用pro/ E建立三维模型，计算采用HyperMesh进行前处理，应用分析 软件ANSYS进行静力学计算分析，得出箱体的变形和应力集中 点，对其进行优化，减小变形量，提高安全性能，该结果为以 后蓄电池箱的结构优化设计提供参考。 

       铁路列车用蓄电池箱是列车上提供能源的重要装置之一， 是列车紧急供电的核心装置，一旦出现故障，将影响整个列车 的供电系统。蓄电池箱通过顶部吊钩安装在车体底部主横梁 上，通过M10螺栓连接，由于列车在铁路运行过程中，蓄电池 箱会受到横向、纵向和垂向的冲击振动。因此对箱体结构进行 静力学分析就显得尤为重要，其结果可为后期同类产品的结构 优化设计提供依据（EN12663-1:2010《铁路设施-铁路车辆车 身的结构要求 第1部分:机车和客运车辆》）。 

1  蓄电池箱结构介绍及材质标准 

       电池箱外形尺寸长1044mm、宽400mm、高405mm。箱中电池 总重约88kg。蓄电池箱在电池安装完毕后，重心应该位于其几何中心处。该铁路列车蓄电池箱采用不同厚度的钢板折弯焊接而成 （TB/T 1979-2014《铁路车辆用耐大气腐蚀钢订货技术条件》）， 其中吊耳采用8mm厚的耐候钢板折弯而成，外箱及框架板采用2mm厚 的耐候钢板折弯而成。箱体内部安装有熔断器和安装电池的抽屉等 其他零部件。电池箱安装在车厢底部，属于车下悬挂件，其几何结 构见图1。 

       蓄电池箱整体采用耐候钢材料，材质厚度≤2.5mm 的牌号为 Q310NQL2，厚度＞2.5mm 的牌号为Q345NQR2。依据标准EN12663， 参考材料标准TB/T 1979-2014《铁路车辆用耐大气腐蚀钢订货技术 条件》，安全系数S取1.15。屈服强度，具体参见表1。 

2  有限元分析 

2.1 三维模型的建立

          利用pro/E软件绘制出三维模型，同时为了便于建立高质量的 有限元模型，需对一些零部件结构进行简化，去掉模型中对结构无 影响的零部件如锁具，绑线杆等。将简化后的三维模型导入到有限 元分析软件ANSYS中，建立有限元模型。

2.2 网格划分 

        依据标准EN12663-1:2010《铁路设施-铁路车辆车身的结构要 求 第1部分:机车和客运车辆》（以下简称EN12663），对该钣金结 构蓄电池箱进行静强度分析，为电池箱的安全性提供理论依据。

       计算采用HyperMesh进行前处理，应用分析软件ANSYS进行计 算。模型采用的是壳体单元，电池组采用质量单元并由刚性元悬 挂于箱体上，整体有限元模型如图2所示。蓄电池箱体结构规模为 280860个单元和280809个节点。质量单元施加在电池安装的几何中 心处，蓄电池箱吊耳安装面处施加约束。   

2.3 载荷工况及应力 

       按照标准EN12663的要求，在有限元计算中将表2中加速度载荷 进行组合，表3为其组合工况及计算应力结果列表。 

3  计算结果分析
 

       根据各个组合工况的作用计算箱体的静强度，由表3可以看 出，蓄电池箱箱体在各个载荷工况作用下的最大应力出现在底板 与后梁焊接处（详见应力云图3），最大应力值为118.4MPa（工况 2），小于材料的许用应力270MPa，满足强度设计要求。因此，该 种钣金结构蓄电池箱的强度设计合理。