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某軌道檢測車是專為青藏線設(shè)計的線路檢測車輛，由于該線路環(huán)境特殊，氣溫變化大，海拔較高，濕度大，因此，對車輛設(shè)計的要求非常高。檢測車自帶發(fā)電設(shè)備，需要裝備較大容積的油箱和電池箱，設(shè)計中首次采用了油箱與蓄電池箱組合在一起的結(jié)構(gòu)形式。為了保證車輛在運(yùn)行過程中油箱結(jié)構(gòu)的安全可靠，要求對油箱及蓄電池箱進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和校核。車輛油箱的有限元分析計算通常是一件很困難的事情，其主要難度在于如何比較合理地處理油體對油箱的作用情況，準(zhǔn)確地模擬車輛運(yùn)行中油體晃動對油箱的沖擊作用，但是在工程中這類問題很多，這里采用了有限元分析方法，對油箱分別受縱向、橫向和垂向沖擊荷載作用進(jìn)行了模擬和強(qiáng)度校核。在分析過程中，提出了一種既簡單可行又比較接近實(shí)際情況的油體加載方法。通過分析，給出了結(jié)構(gòu)在慣性力沖擊荷載作用下的應(yīng)力分布，并就原設(shè)計提出了一些建議。
油箱及蓄電池箱整體結(jié)構(gòu)為由鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，油箱處于箱體中部呈T字形，電池箱在外側(cè)，在油箱及電池箱中設(shè)置若干鋼質(zhì)隔板，整體結(jié)構(gòu)由焊接在箱體頂部的八個吊座固定在車體底架梁上，為了滿足整車結(jié)構(gòu)布局設(shè)計的需要，第一次采用了油箱及電池箱組合設(shè)計的新模式。這種設(shè)計具有占用空間小，便于整體設(shè)計，省材料等優(yōu)點(diǎn)，但這種設(shè)計方式將會使結(jié)構(gòu)同時受到油箱內(nèi)油體及電池箱中蓄電池慣性力作用，可能導(dǎo)致較復(fù)雜的應(yīng)力分布。所以需要進(jìn)行仔細(xì)的分析研究。結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如下：車輛構(gòu)造速度200m/h，油箱電池箱總重量3500kg，箱體自重泡括防寒層重1100kg，油體總重1550kg，蓄電池總重836kg，油箱容積1800L；箱體幾何尺寸為1925mmX2640mmX662mm。由于結(jié)構(gòu)并非完全對稱，因此計算模型采用整體建模形式。箱體整體均采用鋼板焊接而成，故有限元力學(xué)模型中全部采用了板殼單元，模型對主要的承重構(gòu)件都進(jìn)行了模擬，并考慮了油箱大的孔洞及一些細(xì)部環(huán)節(jié)，在單元劃分時對較易出現(xiàn)應(yīng)力集中的吊座周圍網(wǎng)格進(jìn)行了加密，計算模型如圖。根據(jù)GB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗(yàn)鑒定》，須驗(yàn)算吊座、油箱及電池箱在如下三種不同沖擊加速度的強(qiáng)度，即：工況1：沿車體垂向，工況2：沿車體縱向，工況3：沿車體橫向，其中，g為重力加速度。
電池本身為固體，因此其對箱體加載非常簡單，箱體的慣性力及重力加載也可依照軟件提供的體力加載方法方便實(shí)現(xiàn)。而油體為液體，其對油箱的作用在沖擊情況下是一個極其復(fù)雜的過程，目前對于沖擊較大的液固耦合問題尚無較好的解決辦法，油箱內(nèi)油位的不同，其計算方法也會有差異。本文按油箱滿油位的情況下，分別按三種工況對箱體施加荷載。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，油體對油箱的作用主要以壓力的形式產(chǎn)生，故將油體作用力按壓力分別作用于油箱不同面上。在重力及上述各工況加速度慣性力的作用下，油體對油箱的壓力分布也是很復(fù)雜的。對于油體承受不同方向加速度慣性力，其壓力P分布可以近似按疊加原理計算。如圖所示，在一個密閉的容器內(nèi)，當(dāng)液體受垂直和水平兩個不同方向慣性力同時作用時，其作用于容器壁上的壓力可以簡單地利用疊加原理計算出來，下面按照“液體壓力疊加原理”對油箱進(jìn)行加載。
以主油箱在2工況下的受力為例，主油箱在2工況下的受力，可看成縱向5g加速度慣性力與垂向1g重力的疊加，疊加過程如圖.。油箱實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀并非規(guī)則的立方體，并且其內(nèi)部還設(shè)有隔板，隔板對油體沖擊力的緩解作用是十分明顯的。所以，實(shí)際加載按如下原則進(jìn)行：將隔板隔成的每個區(qū)域作為一個獨(dú)立規(guī)則的立方體，先按上述方法加載。對于隔板上的開孔部位按實(shí)際情況不加載，這樣則會出現(xiàn)油體慣性力加載不足的情況。
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