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原文传递基于ABAQUS的接触网腕臂结构及其关键零部件分析与优化

论文题名：	基于ABAQUS的接触网腕臂结构及其关键零部件分析与优化
关键词：	接触网;腕臂结构;有限元分析;优化设计
摘要：	接触网系统是铁路系统中最主要的系统之一。接触网腕臂结构作为接触网的主要支撑结构，主要功能是定位接触线和承力索，且承受机械载荷和电载荷。腕臂结构的服役状态和接触网的服役状态相互耦合，所以对腕臂结构力学性能的研究十分必要。目前对接触网腕臂结构的研究主要是将腕臂结构简化为梁单元，研究腕臂结构的静力学和动力学特性，鲜有研究者对腕臂结构各参数对腕臂结构静力学性能的影响、典型腕臂结构静/动力学特性、预应力对腕臂结构动力学特性的影响等进行系统的分析。因此，开展关于常用腕臂结构及其关键零部件的分析优化和新型腕臂结构的设计对现有腕臂的设计、安装和下一代高速铁路接触网腕臂结构的设计具有现实指导意义。　　本文建立了多种典型腕臂结构及其零部件的三维简化模型。首先，利用有限元分析了四种常见腕臂结构和两种定位器（限位定位器、非限位定位器）的静力学性能。其次，分析了多种预应力对德式钢腕臂结构动力学特性的影响。进一步，利用MATLAB和ABAQUS混合编程，结合遗传算法和粒子群算法，对德式钢腕臂结构的形状和尺寸参数进行了优化。最后，在对多种腕臂结构分析的基础上，设计开发了一种新型整体钢腕臂结构。主要结论如下: 　　1.通过四种腕臂结构的有限元分析结果发现:钢腕臂结构具有刚度强，强度大的特点。其中，日式钢腕臂结构紧凑，整体刚度大，变形小。德式铝合金腕臂各项性能均衡，是理想的腕臂结构之一。两种定位器中，限位定位器变形更小，定位能力更强，但限位定位器在钩-环接触位置应力集中明显，导致在接触区域磨损严重。　　2.利用ABAQUS分析多种预应力（多种载荷）对德式钢腕臂结构动力学特性的影响发现:模态分析结果表明，预应力对腕臂结构低阶模态频率有较大影响，尤其对第一阶模态频率影响最大。由于腕臂结构对低频振动较为敏感，因此在腕臂结构设计中有必要考虑预应力对腕臂模态的影响。进一步，通过谐响应分析发现，预应力对腕臂结构Y方向（沿铁路线方向）的振动有抑制作用。　　3.通过MATLAB和ABAQUS对德式钢腕臂结构形状及尺寸参数进行联合优化，粒子群算法优化结果:钢管质量降低28.7％（11.53 kg），最大变形少量降低，腕臂整体性能相较优化前有所提高。遗传算法优化结果:腕臂质量降低21.1％(8.49 kg)。比较两个优化结果发现:在腕臂结构形状及尺寸优化问题中，粒子群算法相较遗传算法具有更好的全局寻优能力和计算效率。保持钢管截面参数不变，分析腕臂支撑和定位管支撑位置参数（粒子群算法优化结果中位置参数）对钢腕臂结构力学性能的影响。通过有限元分析表明，定位管最大变形量减小27.4％(0.763 mm);定位器支座位置位移量减小30.2％(0.824 mm);承力索座位置位移量仅增加5％(0.063 mm)。　　4.基于对多种典型腕臂结构的分析，设计了一种新型整体钢腕臂结构。该整体腕臂结构比德式钢腕臂结构少了三个连接点，增强了腕臂结构整体的稳定性和可靠性。腕臂结构采用三角形结构形式，简化结构安装，方便结构调整。进一步，本文完成了对新型整体腕臂的各参数、安装孔位置及排布的设计。通过有限元分析验证了新型整体腕臂结构满足设计标准。
作者：	李科
专业：	机械工程
导师：	赵婧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文