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铁路车辆盘形制动噪声的有限元复特征值分析

作　者: 文武
导　师: 陈光雄
学　校: 西南交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 盘形制动摩擦制动尖叫有限元方法复特征值分析
分类号: TB533.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

铁路车辆的盘形制动装置在制动过程中出现的噪声不仅造成环境污染，而且意味着制动系统产生了强烈的自激振动，可能引起制动系统部件的失效以及损坏。因此开展铁路车辆盘形制动装置的自激振动特性研究对发展我国高速列车有着积极的社会意义和重大的现实意义。通过研究摩擦制动噪声的机理来减小或消除制动噪声和制动颤振对研究者和工程师们来说是一个活跃的主题。CAE仿真分析方法在揭示制动噪声机理方面扮演了一个重要的角色。本文运用有限元方法对铁路车辆盘形制动装置整体模型进行了摩擦运动稳定性分析，发展了利用有限元复特征值方法分析制动系统摩擦噪声的技术，大大提高了运用有限元复特征值分析制动系统摩擦噪声的效率。本文建立了铁路车辆盘形制动装置的三维实体有限元模型，包括了制动盘、制动闸片、闸片托、制动杠杆和杠杆座等全部制动装置部件模型，耦合了摩擦力的影响。运用有限元分析软件求解摩擦系统运动方程的复特征根，根据复特征根的实部出现正值来判定系统发生失稳的模态，也就是可能产生摩擦噪声的模态。讨论了摩擦系数、接触刚度系数、系统的约束条件以及模拟接触弹簧单元的数量等因素对摩擦噪声的影响。仿真计算结果表明：1、摩擦噪声发生时具有模态耦合的特点。随着摩擦系数的变化，相邻模态的频率曲线可能出现重合的现象，从而具有发生摩擦噪声的倾向。2、摩擦系数对摩擦噪声的产生有重要影响。随着摩擦系数的增大，耦合模态的复特征值实部值将增大，表明制动系统产生摩擦噪声的倾向增大。3、制动闸片的接触刚度系数对摩擦噪声的产生具有很大的影响。减小接触刚度系数，系统产生摩擦噪声的倾向将减小。4、制动盘和闸片的相对运动方向对摩擦噪声的产生有较大的影响。当制动盘逆时针方向转动时，制动系统不发生摩擦噪声的稳定区域较大。5、系统的约束条件对摩擦噪声的形成有显著的影响。随着约束数量的减少，发生摩擦噪声的倾向增大。可以通过设计适当的约束来增强制动系统的稳定性并抑制制动噪声的发生。6、制动噪声模型的分析精度主要受模型单元尺寸的影响，而在摩擦接触界面设置的模拟接触弹簧的数量对分析精度的影响较小。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-26
  1.1 高速铁路车辆盘形制动系统  11-13
    1.1.1 盘形制动方式的广泛应用  11-12
    1.1.2 摩擦制动产生的振动问题  12-13
  1.2 摩擦制动噪声研究的历史和现状  13-20
    1.2.1 摩擦制动噪声问题  13
    1.2.2 摩擦噪声的分类  13-14
    1.2.3 摩擦噪声机理研究  14-18
    1.2.4 摩擦噪声试验研究  18-20
  1.3 有限元方法研究摩擦噪声的进展  20-24
    1.3.1 有限元方法研究摩擦噪声的模型  21-22
    1.3.2 有限元方法研究摩擦噪声的分析方法  22-23
    1.3.3 有限元方法研究摩擦噪声存在的局限性  23-24
  1.4 论文的研究意义和内容  24-26
    1.4.1 本论文研究的意义  24-25
    1.4.2 本论文研究的内容  25-26
第2章摩擦噪声的有限元仿真方法  26-40
  2.1 有限元方法的基本原理  26-33
    2.1.1 有限元方法的广泛应用  26-27
    2.1.2 CAE仿真的优势  27
    2.1.3 有限元动力分析方法  27-32
    2.1.4 有限元复特征值分析  32-33
  2.2 有限元分析软件NASTRAN简介  33-38
    2.2.1 NASTRAN软件的特点和功能  33
    2.2.2 NASTRAN软件分析需要的模型数据  33-35
    2.2.3 MSC/NASTRAN输入文件的内容  35
    2.2.4 DMAP语言  35-38
    2.2.5 NASTRAN复特征值分析  38
  2.3 盘形制动系统摩擦噪声研究的复特征值方法  38-39
  2.4 有限元仿真结果的试验验证方法  39-40
第3章盘形制动装置的有限元模型  40-56
  3.1 盘形制动装置模型  40-43
    3.1.1 摩擦运动界面的模拟模型  40-42
    3.1.2 制动装置转动销之间的联结模型  42-43
    3.1.3 盘形制动装置的有限元运动方程  43
  3.2 铁路车辆盘形制动装置的有限元模型  43-47
    3.2.1 铁路车辆盘形制动装置的几何实体模型  43-44
    3.2.2 铁路车辆盘形制动装置的有限元模型  44-46
    3.2.3 NASTRAN分析输入文本的处理  46-47
  3.3 刚度矩阵修改的正确性验证分析  47-56
    3.3.1 NASTRAN刚度矩阵的特点  47-49
    3.3.2 用DMIG修改刚度矩阵的正确性验证  49-56
第4章摩擦系数对摩擦噪声的影响  56-63
  4.1 摩擦系数的设置  56
  4.2 分析结果及讨论  56-62
    4.2.1 模态频率的变化  57
    4.2.2 模态耦合的出现  57-61
    4.2.3 耦合模态的分类  61-62
  4.3 本章小结  62-63
第5章模拟弹簧的参数对摩擦噪声的影响  63-77
  5.1 刚度系数比值取为0.5倍时的模态耦合情况  63-65
  5.2 刚度系数比值取为1.5倍时的模态耦合情况  65-68
  5.3 弹簧接触刚度系数的变化  68-73
    5.3.1 刚度系数的设置  68
    5.3.2 模态频率的变化情况  68-69
    5.3.3 制动盘的转动方向对稳定区间的影响  69-70
    5.3.4 弹簧接触刚度系数对耦合模态的影响  70-73
  5.4 模拟弹簧的数量对分析结果的影响  73-75
  5.5 本章小结  75-77
第6章约束对摩擦噪声的影响  77-83
  6.1 约束设置的四种方式  77
  6.2 约束B与约束A的比较  77-79
  6.3 约束C与约束A的比较  79-81
  6.4 约束D与约束A的比较  81-82
  6.5 本章小结  82-83
结论  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-95
攻读硕士学位期间发表的论文  95

铁路车辆盘形制动噪声的有限元复特征值分析

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