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原文传递某轨道试验车高变速动态特性和关键部件疲劳寿命研究

论文题名：	某轨道试验车高变速动态特性和关键部件疲劳寿命研究
关键词：	轨道试验车;静态特性;动态特性;疲劳寿命
摘要：	本文应国家重大工程项目需求对用于标定实验的特种轨道试验车进行强度与动力学分析。针对在特种车辆的开发设计过程中，如何判断在瞬态加速的高变速工况下轨道试验车静、动态性能的优劣及车架和关键部件结构的合理性，以及是否满足特种测试功能要求均是特种车辆轨道试验车开发设计的关键问题。　　本文基于非线性有限元法、模态分析、静力学分析、隐式动力学分析、正交试验设计及疲劳寿命分析等基本理论研究试验车的静、动态特性以及对关键部件牵引杆进行结构优化和疲劳寿命估算，进而对试验车性能的优劣以及结构的合理性做出判断，并深入分析试验车的设计是否满足特种测试功能要求。根据本课题研究结果加工的瞬态加速特种试验车辆，已经在某试验场成功地多次通过试验验证，取得了满意的结果（由于技术保密，相关数据不便公开）。总体项目的中期评估表明，对于该特种车辆的关键技术研究，已经达到了国际领先水平。　　本文的具体研究内容归纳如下：　　（1）根据相关规范标准和测试功能要求，以及由于轨道试验车的动力是由外在装置通过牵引和制动系统来提供的，所以对牵引和制动系统设计时需考虑其相对空间位置以方便与外在动力装置的连接装配，基于上述因素对其三维结构设计进行研究分析。首先建立三维实体模型，并根据圣维南原理对实体模型进行简化处理，接着运用ABAQUS软件建立轨道试验车的有限元模型，为后续车架的自由模态分析，整车静、动态特性分析以及牵引杆优化和疲劳寿命估算做准备；　　（2）基于模态分析和静力学分析基本理论，利用Lanczos算法求取轨道试验车车架的固有频率和振型，然后根据模态评价原则对车架动态特性进行分析评估，同时验证其有限元模型的准确性。为校核轨道试验车在静载工况下的强度和刚度是否满足设计要求，本文从弹性力学的角度对验证过的轨道试验车有限元模型进行有限元静力学分析。结果表明：轨道试验车的模态分析结果与实验数据基本一致，验证了有限元模型的准确性。静载工况下，轨道试验车的强度和刚度也均满足设计要求；　　（3）基于非线性有限元结构动力学基本理论，运用Newton-Raphson算法来求解轨道试验车运动过程中的接触非线性问题，以获取整车的动态响应及其应力、变形分布云图，同时校核动态工况下轨道试验车的强度和刚度。结果表明：牵引工况下，轨道试验车的最大加速度达到了4.5g以及最大速度也达到了300km/h。制动工况下的最大加速度也达到了2.3g，并在规定的时间内速度降为0，满足轨道试验车的测试功能要求。但关键部件牵引杆最大等效应力为723.1MPa大于材料许用应力620MPa，为后续牵引杆的结构优化及其疲劳寿命的估算提供理论基础；　　（4）经过动态特性分析，关键部件牵引杆并不满足强度设计要求。但传统的优化设计方法大都把结构优化最后归结到目标函数的极值上，采用数学方程来求解涉及非线性边界问题的结构时很难达到收敛。因此本文选用正交试验设计的方法对牵引杆进行结构优化设计，以牵引杆的最大等效应力为主要目标，利用直观分析法确定最优试验方案，对最优试验方案进行非线性结构动力学分析并校核牵引杆强度是否满足设计要求。运用疲劳寿命分析Fe-Safe软件，采用Mises应力算法，选择Goodman法对平均应力进行修正，结合有限元分析结果、应力谱、材料的疲劳特性曲线对优化后的关键部件牵引杆进行疲劳寿命估算。
作者：	白云
专业：	车辆工程
导师：	李舜酩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文