200km/h电力机车辅助变流柜的结构仿真分析

论文摘要

为了适应我国时速200km/h客运专线运用要求,同时更好地满足既有干线进一步提速发展需要,目前我国正在研制设计新一代200km/h交流传动客运电力机车。电气传动是机车中极其重要的部分,其中辅助变流柜是保证该机车电气传动的一个重要的装置,其内部放置了大量的电气设备,这些设备相互依靠、相互制约,是电气性能得以实现的重要保证。随着机车车辆运行速度的不断提高,列车在运行中承受的纵向、横向及垂向的冲击和振动等综合载荷作用变得越来越复杂,车体及其安装结构包括车载吊挂件的运行工况也变得更为恶劣。柜体结构的强度和振动特性直接影响到柜内电气元件的正常工作,甚至影响列车运行安全。因此,为了确保柜体结构的设计合理性和使用安全性,在设计阶段必须对柜体结构进行强度分析和模态分析。本文利用计算机仿真分析软件CATIA完成了200km/h电力机车辅助变流柜的三维造型结构设计。在详细分析辅助变流柜结构特点的基础上,运用有限元分析软件HyperWorks,建立了柜体的有限元力学模型。由于该柜体及其内部设备的安装采用的是铆接和螺栓连接的结构形式,其模拟方式不同于焊接结构,针对其连接方式的特殊性,本文采用刚性单元模拟铆接和螺栓连接,采用质量单元模拟柜内电气设备。依据标准EN 61373,考核柜体在惯性力载荷下的强度,并进行模态分析。结果表明柜体初始设计方案局部结构的最大等效应力大于材料的许用应力220MPa,不符合标准。因此对柜体的强度薄弱部位进行了改进,并对改进后的柜体结构进行强度校核和模态分析,分析结果表明改进后的柜体结构的最大等效应力小于材料的许用应力,柜体各阶频率都大于20Hz,满足规范要求。保证柜体结构强度的同时改善了其固有振动特性,从而避免了电气元件以及柜体的共振现象,确保了柜体实际运用的安全性。因此,本文的研究成果为200km/h电力机车辅助变流柜的研制开发提供了一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 基本理论及应用软件简介
• 1.1 有限元法基本理论
• 1.2 模态分析理论
• 1.2.1 弹性体振动理论基础
• 1.2.2 动力学方程和质量方程
• 1.2.3 特征值问题
• 1.3 应用软件简介
• 1.3.1 CATIA 软件简介
• 1.3.2 HyperWorks?软件简介
• 本章小结
• 第二章 200KM/H 交流传动电力机车辅助变流柜结构设计
• 2.1 辅助变流柜的功能简介及设计要求
• 2.1.1 柜体功能简介
• 2.1.2 柜体的设计思路
• 2.1.3 柜体的结构特点及技术要求
• 2.2 柜体设计的具体过程
• 2.2.1 柜体骨架的设计及其三维模型的建立
• 2.2.2 柜体结构布置及内部设备
• 2.2.3 柜体内部设计及其内部设备模型的建立
• 本章小结
• 第三章 辅助变流柜静强度分析
• 3.1 建立有限元模型需考虑的主要问题
• 3.2 柜体有限元模型的建立
• 3.2.1 CATIA 模型的导入、修整及重构
• 3.2.2 零部件网格划分
• 3.2.3 单元质量检查
• 3.2.4 建模中关键技术问题的处理
• 3.3 计算载荷工况
• 3.4 边界条件
• 3.5 计算结果分析
• 本章小结
• 第四章 柜体模态分析
• 4.1 模态分析方法
• 4.2 模态提取方法
• 4.3 柜体模态分析
• 4.3.1 模态分析大体步骤
• 4.3.2 模拟设备重量的方法
• 4.3.3 柜体模态分析结果
• 本章小结
• 第五章 柜体结构改进
• 5.1 柜体结构改进建议
• 5.2 改进后柜体结构的强度分析
• 5.3 改进后柜体结构的模态分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢