动车组拖车转向架测力毕业论文(打印版)24536.pdf
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1、 XX 互联网大学 毕业设计(论文)开题报告 2021 届 2021 年 5 月 9 日 项目类别:毕业论文 项目名称:专业名称:姓 名:学 号:院系 专 业 年级 学 号 姓 名 学习中心 指导教师 题 目 CRH2-300 型动车组拖车转向架测力 指导教师 评 语 是否同意答辩 过程分(满分 20)指导教师 (签章)评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章)年 月 日 毕 业 设 计 任 务 书 班级 (专升本)学生姓名 学号 开题日期:201 年月日 完成日期:201 年 月 日 题 目 CRH2-300 型动车组拖车转向架测力 题目类型:工程设计 技术专题
2、研究 理论研究 软硬件产品开发 一、设计任务及要求 与转向架构架强度评估对应的载荷主要分为两类:一种是在车辆使用寿命 中出现次数极少,但其绝对值较大,与静强度评估对应;另一种是出现频繁,其绝对数值较小,与疲劳强度评估对应。与疲劳强度评估对应的载荷分为若干级,每级对应不同的发生频次,组合在一起称为载荷谱,是进行结构疲劳可靠性定 评估的基础。目前,在包括动车组在内的铁路客车结构设计规范和评估标准中,还没有适用的载荷谱。相应地,目前国际上现行的铁路客车结构疲劳设计和评估 尚处在定性层次。动车组转向架构架在实际运营中,主要受到垂向载荷、横向载荷、扭转载荷、纵向牵引载荷、电机载荷、齿轮箱载荷和制动载荷的
3、作用,垂向载荷按其作用方 式可分解为浮沉载荷和侧滚载荷。本文主要研究采用测力构架方式进行载荷测量的相关问题。测力构架是以原有转向架构架为基础,在不影响构架正常使用功能的前提下,依据构架载荷的测试需要,通过对构架结构进行局部改造并结合适当的组桥方式 建立的具备测力功能的构架。采用测力构架方式进行构架载荷测量对于建立构架载荷谱具有独特优势:测 试载荷具有静态等效载荷的特征,与其关联的响应同构架疲劳关键部位动应力具 有一致的属性,测试载荷及其关联响应和动应力三者之间呈准静态传递关系,并 可以在实验室中准确标定这些传递关系。本文在分析与各载荷系对应的响应分布特征的基础上,通过合理组桥、响应 祸合度分析
4、和应力集中技术,分别建立了浮沉载荷系、侧滚载荷系、扭转载荷系、横向载荷系以及纵向载荷系的测试方案。二、基本要求:第一:论述内容要与选题一致 第二:论述内容表达清晰思路明确 第三:通过论述了解 CRH2-300 型动车组拖车转向架测力构的解构特点 第四:分析 CRH2-300 型动车组拖车转向架测力构的结构疲劳设计和评估方案 第五:展望今后高速列车转向架的发展趋势 三、重点研究问题 第一:CRH2-300 型动车组拖车转向架测力构架研究中涉及的主要理论和方法,包括有限元方法、载荷识别方法、电桥测试原理及特性。第二:应力集中技术。由于高速动车组转向架构架是由板材组焊而成的箱型结构的组合体,其局部多
5、为板型结构,本章对板型结构中引入应力集中的技术进行了系统分析。第三:比较详细地介绍了 CRHZ 一 300 型高速动车组拖车转向架构架的结构组成和受载方式。采用三维有限元方法建立了构架的有限元分析模型。系统分析了构架在各种载荷系单独作用下应力的分布特征和量值大小。第四:在前两章研究工作的基础上,结合第二章介绍的有关方法,从载荷谱编谱需要出发,重点针对满足载荷系提纯精度和载荷系测量信噪比两方面要求,对 CRHZ 一 300 型高速动车组拖车转向架测力构架进行方案设计。第五:对本文研究工作进行了总结,并对测力构架研制需要进一步研究的问题进行了展望。四、主要技术指标 1论文题目一般不超过 25 个字
6、,要简练准确,可分二行书写;2开题报告 由学生认真书写,经指导教师签字后的开题报告有效;3摘 要:中文摘要字数应在 400 字左右,包括论文题目、论文搞要、关键词(3 至 5个),英文摘要与中文摘要内容要相对应;4目 录:按三级标题编写,要求层次清晰,且要与正文标题一致,主要包括摘要、正文主要层次标题、参考文献、附录等;5正 文:论文正文包括绪论(或前言、慨述等)、论文主体、结论。工科论文要求符合科技论文格式,正文文字应在 15 字以上;6参考文献:必须是学生本人真正阅读过的,以近期发表的杂志类文献为主,图书类文献不能过多,且要与论文工作直接相关。7 附 录:含外文复印件及外文译文、有关图纸、
7、计算机源程序,如果安排有毕业实习,需提供毕业实习报告等。五、其他要说明的问题 论文要用统一的毕业论文用纸,用中文打印(B5)或手写。手写每页 20 行,每行 2022字,用黑或蓝黑墨水工整书写;打印正文用宋或楷体小四号字,版面上空 2.5cm,下空 2cm,左右空 2cm(靠装订线一侧增加 0.5cm 空白用于装订)。对字体和字号的要求如下:题目用一号(分两行书写时用小一号)黑体字;第一层次(一)题序和标题用小二号黑体字,题序和标题之间空两字,不加标点,下同;第二层次((一))题序和标题用小三号黑体字;第三层次(1)题序和标题用四号黑体字;第四层次((1))题序和标题用小四号黑体字;第五层次以
8、下标题和题序与第四层次同。指导教师:年 月 日 学院审查意见:审 批 人:年 月 日 诚 信 承 诺 一、本设计是本人独立完成;二、本设计没有任何抄袭行为;三、若有不实,一经查出,请答辩委员会取消本人答辩(评阅)资格。承诺人:年 月 日 目 录 1 有限元方法简介 1.1 有限元方法 1.1.1 有限元软件 ANSYS 简介 1.2 载荷识别方法 1.2.1 载荷识别的定义与应用 1.2.2 载荷识别方法概述 2 应力集中方法 2.1 有限元建模 2.1.1 模型的建立 2.2 计算结果及分析 3 转向架构架有限元分析 3.1 CRHZ 一 300 型拖车转向架构架 3.1.1 侧梁组成 3.
9、1.2 横梁组成 3.2 作用在转向架上的载荷系 4 测力构架方案设计 4.1 浮沉载荷系 4.1.1 第一类设计方案评估 4.1.2 第二类设计方案评估 4.2 侧滚载荷系 4.2.1 第一类设计方案评估 4.2.2 第二类设计方案评估 4.2.3 第三类设计方案评估 5 结论与展望 CRH2-300 型动车组拖车转向架测力 构架方案设计 1 有限元方法简介 1.1 有限元方法 有限元法【5,6是求解数学物理问题的一种数值计算近似方法。有限元法是以变分原理为基础,将研究对象离散成有限有限多个单元体,通过分析得到一组代数方法,进而求得近似值。其基本思想7是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按
10、一定方式相互联结在一起的单元的组合体,简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接,称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于:组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联“。但是这种联接要满足变形协调条件,即不能出现裂缝,也不允许发生重叠。显然,单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力,作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时,组成它的各个单元也将发生变形,因而各个结点要产生不同程度的位移,这种位移称为结点位移。在有限元中,常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想,假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律,
11、再利用力学理论中的变分原理或其他方法,建立结点力与位移之间的力学特性关系,假设代表单元解的近似连续函数,得到一组以结点位移为未知量的代数方程,对单元建立方程,将单元组合成总体的问题,构造总体刚度矩阵。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。并应用边界条件、初值条件和负荷,从而求解结点的位移分量,然后得到其他重要的信息如主应力,位移等。显然,如果单元满足问题的收敛性要求,那么随着缩小单元的尺寸,增加求解区域内单元的数目,解的近似程度将不断改进,近似解最终将收敛于精确解。虽然有限元的概念早在 40 年代就有人提出,但由于当时计算机尚未出现,它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展,有限元法在各
12、个工程领域中不断得到深入应用。实际上。在所有连续介质问题中,几乎都可见到有限元法。到上个世纪 70 年代,在这个时期有限元方法也从变分学里找到了数学依据。离散数学、广义变分、收敛分析等数学内容也开始向有限元法中渗透,使有限元法如虎添翼。不仅在固体力学领域、而且在其他连续介质领域也发挥着重要作用,解决了越来越多的工程问题有限元法5。目前,世界上有 90%的机械产品和装备 都采用有限元方法进行分析,进而进行设计和优化,有限元分析已成为替代实物试验的虚拟试验,基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。1.1.1 有限元软件 ANSYS 简介 ANSYS 软件是融结构、热
13、、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件9。在进行分析之前可用交互式图形来验证模型的几何尺寸、材料及边界条件;在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。ANSYS 程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。模型数据通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果通过求解器写入数据库;后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库,即可为其它处理器所用。1.2 载荷识别方法 1.2.1 载荷识别的定义与应用 结构振动问题可大致分为正问题和逆问题两大类。正问题是根据系统特性和激励确定振动系统的响应,主要应用有限元分析法,这是振动理论中传统的研究内容。与之相
14、反的振动问题,既由系统的响应来反求系统的动态特性、动态激励及与之相关的一些问题称为振动逆问题“l。载荷的测定即为非常重要的一种逆问题。载荷的测定方法有直接测定法和间接测定方法,前者通过使用某种传感器直接测出载荷信号或与之相关的参数,将其转化为电量,经过后续一系列处理即可得到载荷的大小。例如高压容器中的压力脉动可通过直接测量容器内压强脉动而得到。然而对于许多实际工程结构,由于结构本身的复杂性和所受环境的限制等原因,其所受的外载荷是难以直接测量的,有时甚至是不可能直接测量的,这就需要用到载荷识别的方法来确定外载荷。载荷识别(LoadIdentification),顾名思义,就是根据已知的输出和系统
15、特性,求解系统输入的过程,也称为载荷确定(ForceDetermination)。载荷的确定在结构系统的力学计算、结构设计、故障诊断中十分重要,他为结构的动态计算、设计与分析、结构疲劳模拟实验、结构动力修改与优化提供可靠的依据,可为减小振动、提高结构的可靠性、安全性提供确切的环境条件。在有些情况下,如疲劳寿命分析及可靠性评定领域中,确定真实的外载荷是十分必要的,因此,随着我国现代化建设的飞速发展,对载荷识别开展研究的呼声日高川。载荷识别的研究开始于七十年代中期,最早出现在航空工业,随着飞机飞行性能要求的提高,在飞机设计中大量采用了复合材料,为了更好地掌握材料的受载状况,强烈要求了解飞机的飞行载
16、荷,用于研究直升机飞行时螺旋桨主轴所受到的力,从而提出了载荷识别的课题。近年来,随着社会的发展,载荷识别已 经在许多领域得到了广泛的应用,海洋平台波浪载荷的确定、桥梁的车辆载荷、建筑物受到的地震激励等、飞行器在飞行过程中产生的振动,还有核反应堆中的部件等在工作时也产生振动,这些激励都应该给与重视,对其要加以分析。但由于受工作环境的约束,应起这些振动的载荷通常无法真接测量或者测量比较困难,而他们的响应信号则往往是很容易测得。这就用到载荷识别的方法来进行载荷的确定。常规的载荷识别方法是将载荷假定为确定性的,用测量的响应数据来识别载荷2,3。1.2.2 载荷识别方法概述 传统上,载荷的识别分为频域法
17、和时域法两大类。前者根据频响函数及模态参数在频域中进行识别,后者直接在时域中进行。随着工程信号处理和识别方法的不断发展,其中的许多方法,如小波分析、分形、神经网络等,也逐渐成为载荷识别的方法。在频域中识别载荷的研究比较早,主要利用激励和响应间频响函数的求逆实现,识别原理简单、直观,便于应用。但频域法主要是针对确定性的载荷进行的或者把随机载荷直接按确定性载荷来考虑。频域法包括两种基本方法:频响函数矩阵求逆法和模态坐标变化法。前者只需知道频响函数和响应谱矩阵,即可以对载荷进行识别。后者则必须知道系统的模态特性及模态参数,像系统的各阶振型,刁能识别载荷在频域中的特性,进一步确定载荷的时间历程。时域载
18、荷识别,主要是利用阶跃力假设的积分方法来处理载荷识别问题。在时域内进行载荷识别工作起步较晚。1985 年,H.ory,H.Glaser 等人首先提出了离散系统的载荷识别方法。文献 l4在文献【5】的基础上,采用刚度、质量凝聚的方法,给出了模态截断后修正的载荷识别计算模式。由于在实际工程应用中,人们采用较多的是离散系统,所以近几年来,大小被刊出的文章是关于假设微小时间内载荷为阶跃函数的基础上的求解振动微分方程的方法。时域载荷识别,由于识别过程的各种因素(如结构系统本身的非线性性、响应测量精度、测点的位置等)都对识别效果有很大影响,因而对载荷的识别较为复杂,识别技术尚不完善,对结构的边界条件和初值
19、条件比较敏感,识别精度不甚理想,而且稳定性有待提高。但是,时域内求解载荷的时间历程,不需要经过傅立叶变换在时域和频域中转化,且所得的结果比较直观,在工程实际应用中得到了广泛的应用。无论采用什么方法进行载荷识别都存在着精度的问题。首先,测点位置的选择对载荷识别的精度有极大的影响,用于载荷识别的测点应选择在应力信号较大、应力梯度较小的部位,并根据需要识别的载荷性质,分别将测点布置在与被识别载荷特点相关的部位。其次,振型的截断也会带来误差,在计算中,不可能把所有的振型都找全,忽略较高阶的振型,引起截断误差。在频域中,对泄漏造成的 误差,一般通过加窗及平均的办法对谱密度进行平滑估计以减小泄漏误差的影响
20、。在时域中,对模态矩阵中各阶振型的计算或测试误差,可采用最小二乘法减到最小。但是,从目前的研究状况来看,虽然提出了许多不同的方法,但识别的效果均不够理想,识别结果都还没有用于工程实际,或结构的动态设计中,在实际工程应用中还没有起到应有的作用;各种识别方法基本上都是基于某一特定的工程实例进行的研究,因而这些方法有较大的局限性,限制条件也较为苛刻,对识别中碰到的许多实际问题,例如稳定性、域精度分析、病态问题、测点选择等,缺乏深入的研究,还没有形成系统的理论体系。因此,载荷识别的工程应用,仍然与载荷识别方法和理论的研究一样,处于探索阶段,没有形成系统的理论体系和完整的应用技术,还不能满足工程实际的需
21、要。由于载荷识别问题本身存在的不稳定性,再加上载荷识别问题比较突出的个性特征,这一问题的解决还需要较长时间的发展。就目前的识别方法和技术,对结构阻尼较大,受力数量较少,载荷作用形式较为简单,相应测试条件便利的结构,例如海洋平台的受力分析;铁路车辆转向架构架和主要吊、支座的载荷识别等,可以得到较好的识别结果,载荷识别技术也最先为这类结构的动态设计、试验载荷提供依据。目前工程实践中常用的载荷识别方法是准静态法。由振动理论可知,当激励载荷频率在所分析构件的任何自然(固有)频率之下,可以忽略振动响应的影响,简单的认为任一时刻的应力状态可以通过线性叠加各个不同载荷的响应来模拟。定义一组静态载荷,任一时刻
22、的应力状态为:2 应力集中方法 提要:根据实测经验,识别某单一载荷信号时,通过组桥后该信号信噪比较低,为了达到测力构架的设计要求,因而引入应力集中的方法来增大响应。高速动车组转向架构架是由板材组焊而成的箱型结构的组合体,其局部多为板型结构。本章对板型结构中引入应力集中的技术进行系统分析。在受力物体形状突然改变或材料不连续的地方,会出现应力局部增大的现象,这种现象就是应力集中。在等截面构件中,应力分布比较均匀。若构件上有孔、沟槽、凸肩、阶梯等使截面尺寸发生突然变化时,在截面发生突变部位附近的小范围内,应力将显著增大。受力构件挖孔后,力流将被空洞阻断,在孔洞边缘附近产生显著的应力集中。应力集中的程
23、度可用应力集中系数来表示。应力集中系数的大小,只与构件形状和尺寸有关,与材料无关2 。高速动车组转向架构架是由板材组焊而成的箱型结构的组合体,其局部多为板型结构。对于板型结构而言,比较方便有效的引入应力集中的方法是在板上挖 孔。由于构架箱型结构封闭并兼做附加空气室,在引入应力集中时不能破坏结构的密闭性,只能挖坑而不能挖孔。本章采用三维有限元方法对带有圆坑的板型结构的应力集中状况进行了系统 的计算分析,为在构架实际结构中应力集中方案选择提供依据。2.1 有限元建模 2.1.1 模型的建立 用平面有限元模型分析拉伸准无限圆坑板,取板厚为 10mm,板的长度是圆孔 半径的 50 倍,宽度也是半径的
24、50 倍,这样就完全可以模拟拉伸无限圆坑板。采 用平面等参 9 节点单元,有限元网格划分采取等差数列,使得越靠近孔边,网格 越密,同时有限元程序及网格划分的精度是很高的,(误差均小于 l%),收敛性也 很好22l。在此分别作了板中央出现的单个和两个圆坑进行了计算和分析。2.1.2 载荷及坑处理 为计算方便,拉力/板宽二 IOON/InIn,即取不受圆坑影响的远处基准应为10MPa。应力集中系数 K=口八。23,根据厂方要求,挖坑深度不能超过板厚的三分之二,转向架板厚一般为 10fnfn,因此坑深最大取为 6Inln;按照贴片要求,坑最小半径为 Slnln,坑间距最小为 3lllln。R 是圆坑
25、半径,D 是两圆坑边缘之间最短距离,H是圆 坑的深度。单坑叮取坑边缘最大应力,双坑口取相邻两坑边缘最大应力。2.2 计算结果及分析 2.2.1 单圆坑的计算 有限元模型如图 3 一 1 所示 3 转向架构架有限元分析 提要:本章比较详细地介绍了CRHZ一300型高速动车组拖车转向架构架的结构组成和受载方式。采用三维有限元方法建立了构架的有限元分析模型。系统分析了构架在各种载荷系单独作用下应力的分布特征和量值大小。动车组转向架是 连接车体和轮对的重要装置,一方面起到支撑车体的作用,另一方面还传递车体和轮对之间的各种载荷和作用力。动车组在线路上运行,受线路条件(像轨道的不平顺、过曲线)等的影响,构
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