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摘要：本文介绍了利用仿真技术实现某内燃机车用吊挂蓄电池箱结构与功能的优化过程。以Ansys有限元分析软件及Fe-Safe疲劳分析软件计算结果为据，优化了结构的强度和疲劳性能。
关键字：内燃机车；蓄电池箱；结构优化
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）08-01-01
1 前言
内燃机车蓄电池的主要功能是启动柴油机，并在停机时提供电气照明。一般情况下，蓄电池安放在燃油箱两侧，这种结构简便，但存在漏液或被撞击后引燃燃油的安全隐患。使用吊挂式蓄电池箱与燃油箱相互独立，安全性上更为可靠，但由于蓄电池数量多质量大，箱体承受的冲击载荷大，对其结构强度提出了更高的要求。
2 原蓄电池箱设计与分析
2.1 结构描述
如图1，蓄电池箱由子箱与母箱结构组成。四个子箱由钢板焊接而成内装蓄电池组。子箱由母箱两端开门通过滚轮装置滑入母箱体，然后在前后侧插入木板、在端部安装钢板分别约束其纵向及横向滑动，蓄电池箱通过顶部吊耳与车体相连接。母箱通过吊耳安装在车架上。整个组件质量约为1300kg，其中钢结构约为430kg。
2.2 结构仿真
按照EN12663标准要求，车载设备需满足纵向、横向及垂向三个方向分别为5g、3g、3g的冲击载荷。根据标准定义工况使用Ansys软件建立蓄电池箱的有限元模型进行结构分析。通过计算得到，在横向工况下母箱体应力较大，特别是在端部封板附近应力水平超过了400MPa。另外，在母箱立柱与上下角钢连接处也存在应力集中较为严重的现象。
3 结构优化
3.1优化方案
通过分析原结构存在的三个问题
1、在使用功能方面原结构通过滑轮取出母箱的型式难以发挥作用，因为蓄电池很重，不可能人工拖拽出来后卸下。实际必须使用叉车叉出，而叉车是要先把子箱托起后才拉出，这样滑轮组实际无用还增加了结构的复杂性。
2、定位方式欠妥。子箱垂向无定位。纵向木板定位不可靠且很多发达国家的进口机车禁止使用木材作为结构材料。
3、子箱使用蒙皮型的结构几乎没有刚性，在横向冲击时对母箱端部结构冲击大导致应力水平高。
对于以上问题首先是优化子箱结构，使用矩形钢拼接成框，将子箱由4个并为2个，结构简单刚度好。底部两边使用矩形钢作为座子，在四角开螺栓孔。，见图3.同时在母箱底部设计L型的导轨，导轨四角安装螺母结构，便于安装定位和拆卸。
母箱结构的优化主要是去掉了端部封板结构，用导轨代替底部滑轮结构减少零件数量。在强度方面使用桁架式的前后侧壁，同时在侧壁上焊接连接板，改连接结构为M16高强螺栓组结构，使用高强螺栓连接母箱与支架，这样螺栓依靠高压紧力产生的摩擦来传递载荷，提高了螺栓的疲劳寿命，见图2。
优化后的箱体重量约为320kg。
3.2 结构分析
结构分析包含对箱体的计算以及连接螺栓的计算，横向2g冲击载荷工况下结构的最大应力为136.6MPa（如图3），较原结构减小了200%远小于材料的屈服强度，刚度提高了两倍以上，其他工况应力也均小于标准要求。
使用软件分析螺栓的连接情况，判断摩擦是否失效，结果显示螺栓连接部分在各个工况下均未发生脱开和滑移现象。使用VDI2230标准校核螺栓的强度得到最小强度安全系数为1.1，满足设计要求。
3.4 疲劳分析
使用Fe-Safe软件分析钢结构的焊接疲劳，评价标准参考BS7608，设置疲劳载荷谱为±0.2g对称循环，计算焊缝等级为F2，两倍标准差sn曲线，即有2.3%的失效概率。经过计算，蓄电池箱及电池斗焊缝疲劳寿命均大于1E7次，满足使用要求。使用VDI2230标准校核螺栓的疲劳强度得到最小疲劳安全系数为2.39，满足设计要求。
4 结论
参照行业的仿真计算标准，评价了该蓄电池箱结构的可靠性和安全性，该结构较原方案设计具有结构合理紧凑、美观，质量轻强度好，维护方便等优点。零部件数减少30%，重量轻26%，结构可靠性提高2倍以上。
參考文献
[1] 李广和. 新型蓄电池箱的设计[J]. 铁道车辆， 1994（11）：23-26
[2] 贾继云，谢朝辉，刘东广等. 城轨车辆框架式结构蓄电池箱设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2012（3）：63-64，67
关键字：内燃机车；蓄电池箱；结构优化
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）08-01-01
1 前言
内燃机车蓄电池的主要功能是启动柴油机，并在停机时提供电气照明。一般情况下，蓄电池安放在燃油箱两侧，这种结构简便，但存在漏液或被撞击后引燃燃油的安全隐患。使用吊挂式蓄电池箱与燃油箱相互独立，安全性上更为可靠，但由于蓄电池数量多质量大，箱体承受的冲击载荷大，对其结构强度提出了更高的要求。
2 原蓄电池箱设计与分析
2.1 结构描述
如图1，蓄电池箱由子箱与母箱结构组成。四个子箱由钢板焊接而成内装蓄电池组。子箱由母箱两端开门通过滚轮装置滑入母箱体，然后在前后侧插入木板、在端部安装钢板分别约束其纵向及横向滑动，蓄电池箱通过顶部吊耳与车体相连接。母箱通过吊耳安装在车架上。整个组件质量约为1300kg，其中钢结构约为430kg。
2.2 结构仿真
按照EN12663标准要求，车载设备需满足纵向、横向及垂向三个方向分别为5g、3g、3g的冲击载荷。根据标准定义工况使用Ansys软件建立蓄电池箱的有限元模型进行结构分析。通过计算得到，在横向工况下母箱体应力较大，特别是在端部封板附近应力水平超过了400MPa。另外，在母箱立柱与上下角钢连接处也存在应力集中较为严重的现象。
3 结构优化
3.1优化方案
通过分析原结构存在的三个问题
1、在使用功能方面原结构通过滑轮取出母箱的型式难以发挥作用，因为蓄电池很重，不可能人工拖拽出来后卸下。实际必须使用叉车叉出，而叉车是要先把子箱托起后才拉出，这样滑轮组实际无用还增加了结构的复杂性。
2、定位方式欠妥。子箱垂向无定位。纵向木板定位不可靠且很多发达国家的进口机车禁止使用木材作为结构材料。
3、子箱使用蒙皮型的结构几乎没有刚性，在横向冲击时对母箱端部结构冲击大导致应力水平高。
对于以上问题首先是优化子箱结构，使用矩形钢拼接成框，将子箱由4个并为2个，结构简单刚度好。底部两边使用矩形钢作为座子，在四角开螺栓孔。，见图3.同时在母箱底部设计L型的导轨，导轨四角安装螺母结构，便于安装定位和拆卸。
母箱结构的优化主要是去掉了端部封板结构，用导轨代替底部滑轮结构减少零件数量。在强度方面使用桁架式的前后侧壁，同时在侧壁上焊接连接板，改连接结构为M16高强螺栓组结构，使用高强螺栓连接母箱与支架，这样螺栓依靠高压紧力产生的摩擦来传递载荷，提高了螺栓的疲劳寿命，见图2。
优化后的箱体重量约为320kg。
3.2 结构分析
结构分析包含对箱体的计算以及连接螺栓的计算，横向2g冲击载荷工况下结构的最大应力为136.6MPa（如图3），较原结构减小了200%远小于材料的屈服强度，刚度提高了两倍以上，其他工况应力也均小于标准要求。
使用软件分析螺栓的连接情况，判断摩擦是否失效，结果显示螺栓连接部分在各个工况下均未发生脱开和滑移现象。使用VDI2230标准校核螺栓的强度得到最小强度安全系数为1.1，满足设计要求。
3.4 疲劳分析
使用Fe-Safe软件分析钢结构的焊接疲劳，评价标准参考BS7608，设置疲劳载荷谱为±0.2g对称循环，计算焊缝等级为F2，两倍标准差sn曲线，即有2.3%的失效概率。经过计算，蓄电池箱及电池斗焊缝疲劳寿命均大于1E7次，满足使用要求。使用VDI2230标准校核螺栓的疲劳强度得到最小疲劳安全系数为2.39，满足设计要求。
4 结论
参照行业的仿真计算标准，评价了该蓄电池箱结构的可靠性和安全性，该结构较原方案设计具有结构合理紧凑、美观，质量轻强度好，维护方便等优点。零部件数减少30%，重量轻26%，结构可靠性提高2倍以上。
參考文献
[1] 李广和. 新型蓄电池箱的设计[J]. 铁道车辆， 1994（11）：23-26
[2] 贾继云，谢朝辉，刘东广等. 城轨车辆框架式结构蓄电池箱设计[J]. 电力机车与城轨车辆，2012（3）：63-64，67