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基于AWE的动车工艺转向架结构分析与优化设计研究

作　者: 李鹏程
导　师: 熊禾根
学　校: 武汉科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 动车 ANSYS Workbench 工艺转向架优化设计
分类号: U266
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

铁路运输在整个国民经济和社会发展中占有越来越重要的比重和作用,我国的铁路发展正处在快速发展的关键时期。根据中国铁路建设规划,到2020年中国高速铁路总里程将突破18000公里,届时中国将拥有世界上规模最大的高速铁路网,几乎占全世界高铁里程总数的一半。动车和高速铁路的发展,加快了中国经济社会的全面发展,也引领世界经济与社会的发展,所以动车的快捷、安全、顺畅运行和检修工作显得格外重要。动车组检修共分为五级,通常一级、二级检修时动车组整列进入检修基地进行作业;三级及以上级别检修时需要机车车体与转向架分离,此时需要配套的设备承载牵引机车车体。本文针对动车三级及以上级别检修要求,设计一种新型的工艺转向架。工艺转向架可满足各型动车的需求,可以在机车车体和转向架分离后,替换转向架,牵引承载机车车体,完成车体在各检修工位间移动的专用工装设备。目前很多国家都高度重视机车关键零部件的检修维护问题,工艺转向架可实现不同列车的快速检修及调度服务。工艺转向架的可靠设计与分析显得格外重要,不仅影响机车的检修效率,而且对机车的安全快速替换或检修起到人为无法替代的作用。本文所研制的动车工艺转向架采用CAD/CAE技术,具备承载、运输四种动车车体需要的工艺设备;利用ANSYS Workbench软件对其关键零部件进行有限元分析和优化设计研究。其主要研究内容与结果如下:(1)结合铁路行业标准和工艺转向架的技术规格书,设计一种可以满足国内动车不同车型(包括CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车)支撑宽度要求的工艺设备。采用二维软件CAXA完成该工艺转向架的初步结构设计;其中创新之处为采用横向移动滑板在燕尾槽内横向移动,调节横向宽度以满足不同车体宽度的需求。(2)利用三维设计软件Pro/E对工艺转向架初步结构设计的关键部件构建三维模型。结合工艺转向架的实际工况,在AWE(ANSYS Workbench Environment)环境中对工艺转向架关键部件进行静力学强度分析、疲劳强度分析和结构动力学模态分析。(3)构架和横梁的优化是工艺转向架轻量化设计的核心优化问题。在材料和结构形状不变的情况下,在AWE环境中对构架和横梁的主要结构尺寸进行优化,并取得明显的效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题背景  9
  1.2 国内外的研究现状  9-15
  1.3 主要研究内容及技术路线  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第二章动车工艺转向架的初步设计  17-28
  2.1 动车工艺转向架设计需求  17-18
    2.1.1 适用范围  17
    2.1.2 适用环境  17
    2.1.3 基本性能要求  17
    2.1.4 设备主要性能参数要求  17-18
    2.1.5 工艺转向架的基本结构  18
  2.2 四种动车车体的主要技术参数  18
  2.3 工艺转向架的初步结构设计  18-27
    2.3.1 构架的结构设计  19
    2.3.2 横梁的结构设计  19-20
    2.3.3 车轮的结构设计  20-21
    2.3.4 电机与减速机的选择  21-23
    2.3.5 车轴的设计  23-24
    2.3.6 箱座的结构设计  24-25
    2.3.7 轴承的选择  25
    2.3.8 向滑板与弹簧装置设计  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章工艺转向架的实体建模  28-33
  3.1 PRO/E 软件介绍  28-29
  3.2 工艺转向架的三维实体建模  29-31
    3.2.1 构架的三维实体建模  29
    3.2.2 横梁的三维实体建模  29
    3.2.3 轮对的三维实体建模  29-30
    3.2.4 其他零部件的实体建模  30-31
  3.3 其他相关分析问题  31-32
    3.3.1 模型建立及模型传递  31-32
    3.3.2 参数传递问题  32
  3.4 本章小结  32-33
第四章关键部件的强度分析  33-44
  4.1 ANSYS WORKBENCH介绍  33-35
  4.2 构架的静力学强度研究  35-38
    4.2.1 构架有限元模型  35-36
    4.2.2 构架的工况分析  36
    4.2.3 施加边界条件与载荷  36
    4.2.4 构架刚度计算结果  36-37
    4.2.5 构架强度计算结果  37-38
  4.3 构架的疲劳强度研究  38-40
  4.4 横梁的静力学强度研究  40-42
    4.4.1 建立横梁物理模型  40
    4.4.2 横梁的有限元模型  40-41
    4.4.3 横梁两种工况分析  41
    4.4.4 施加边界条件和载荷  41
    4.4.5 静力学分析结果  41-42
  4.5 横梁的疲劳强度研究  42-43
  4.6 本章小结  43-44
第五章结构动力学模态分析  44-47
  5.1 模态分析基本理论  44-45
  5.2 构架模态分析  45-46
  5.3 横梁模态分析  46
  5.4 本章小结  46-47
第六章工艺转向架的优化设计研究  47-56
  6.1 构架的优化设计研究  47-51
    6.1.1 设计变量与目标函数  48
    6.1.2 构架的优化设计研究  48-50
    6.1.3 优化前后构架的模态分析  50-51
    6.1.4 构架优化结果分析  51
  6.2 横梁的优化设计研究  51-55
    6.2.1 确定设计变量和目标函数参数  52
    6.2.2 离散型设计变量的参数优化  52
    6.2.3 查看响应面  52-53
    6.2.4 横梁的优化结果  53-54
    6.2.5 连续型设计变量的参数优化及优化结果对比  54
    6.2.6 横梁优化结果分析  54-55
  6.3 本章小结  55-56
第七章总结与展望  56-57
  7.1 全文研究工作总结  56
  7.2 存在不足及展望  56-57
参考文献  57-60
附录作者在攻读硕士研究生期间发表的论文  60-61
致谢  61-62
详细摘要  62-66

基于AWE的动车工艺转向架结构分析与优化设计研究

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