基于HyperWorks的懸掛式空軌列車蓄電池箱沖擊響應(yīng)仿真分析

弓瑞明，展旭和

（1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529000；2.國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266000）

近年來，我國軌道交通的發(fā)展突飛猛進，同時也面臨著一些結(jié)構(gòu)性問題：比如，上下班高峰時段擁堵嚴重，交通結(jié)構(gòu)形式比較單一，震動噪音對周邊環(huán)境影響大。懸掛式空軌列車（以下簡稱“空軌列車”）作為中等運量的新型軌道交通工具，具有成本低、工期短的優(yōu)點，逐步成為現(xiàn)代城市立體化交通發(fā)展的新選擇。早在100多年前，位于德國西部城市的烏帕塔爾市就已經(jīng)建成世界首條懸掛式空軌，線路全長13.3km，中途以距地面12m的高度駛過烏帕河，每日運送乘客7.5萬人，是該市的城市名片和主要公共交通工具。懸掛式空中軌道車輛在國內(nèi)沒有應(yīng)用先例，學(xué)術(shù)性的研究和調(diào)研也少之又少，車體的構(gòu)造及關(guān)鍵設(shè)備完全不同于普通地鐵車輛。蓄電池箱是空軌列車車下設(shè)備中的重要組成部件，用來承載空軌列車的蓄電池備用電源。蓄電池箱體結(jié)構(gòu)的性能直接影響空軌列車的運行安全，因此，對該結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者專家主要從設(shè)計和仿真兩個方面對軌道交通車輛的蓄電池箱進行研究。陳艷艷等設(shè)計了土耳其安卡拉地鐵車輛蓄電池箱的蓄電池類型、質(zhì)量、使用環(huán)境等要素；中車四方股份姜焙晨等從有限元仿真計算方面校核了國內(nèi)某地鐵車輛蓄電池箱的靜強度、疲勞強度和模態(tài)等；鄭天夫通過計算軌道交通車輛蓄電池箱的靜強度和疲勞強度，評定結(jié)構(gòu)的安全性和疲勞破壞程度，并以此為依據(jù)優(yōu)化蓄電池箱的結(jié)構(gòu)主梁。

本文以空軌列車蓄電池箱為研究對象，使用Hyperworks有限元軟件進行沖擊響應(yīng)有限元仿真分析，保障了空軌列車的安全性，為蓄電池箱的改進提供依據(jù)。

1 模型位置和材料參數(shù)

整體蓄電池箱通過四處安裝座固定在車頂部，使用M16螺栓，除安裝處外，蓄電池箱其余懸空。根據(jù)蓄電池箱的吊掛位置，本文規(guī)定沿車體縱向為蓄電池箱的縱向（X向），沿車體橫向為蓄電池箱的橫向（Z向），沿車體垂向為蓄電池箱的垂向（Y向）。

蓄電池箱主要由箱體、蒙板、電器件安裝板、箱門、蓄電池組成。其中，箱體為主要承載部件，蓄電池箱全部為鋁合金材質(zhì)，主要型材材質(zhì)為鋁合金6082‐T6，個別橫梁材質(zhì)為6061-T6，薄板材質(zhì)為5083‐H111，具體材料性能參數(shù)見表1。

表1 材料機械性能參數(shù)

2 計算工況

根據(jù)IEC61373-2010標準中I類A級的要求制定蓄電池箱的沖擊載荷，縱向沖擊加速度為5g，橫向沖擊加速度為3g，垂向沖擊加速度為3g，沖擊加速度理想化為標準半波正弦（y=Asin x），如圖1所示。

圖1 沖擊加速度

3 計算結(jié)果與分析

采用Optistruct求解器進行求解計算，結(jié)果見表2，各工況應(yīng)力云圖見圖2?？v向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應(yīng)力為57.41MPa，發(fā)生在安裝座處，未超過材料的屈服極限，滿足設(shè)計要求；橫向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應(yīng)力為15.17MPa，發(fā)生在底部橫梁與縱梁交界處，未超過材料的屈服極限，滿足設(shè)計要求；垂向沖擊工況中，蓄電池箱的最大VON Mises應(yīng)力為49.79MPa，發(fā)生在安裝座處，未超過材料的屈服極限，滿足設(shè)計要求。

表2 沖擊工況計算結(jié)果

圖2 沖擊工況von Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

對懸掛式空軌列車蓄電池箱的有限元模型進行沖擊響應(yīng)仿真分析，結(jié)果表明，蓄電池箱體的最大VON Mises應(yīng)力為57.41MPa，發(fā)生在縱向沖擊工況下的安裝座處，安全系數(shù)為4.18，未超過材料的屈服極限，滿足標準要求。本文的研究可以為空軌列車蓄電池箱的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。