44100227 - 杜本文 - 汽车运用工程 - 基于SOLIDWORKS SIMULATION的转向架参数测试台支撑立柱的强度仿真研究 - 图文

本科生毕业论文（设计）

中文题目 基于SOLIDWORKS SIMULATION的转向 架参数测试台支撑立柱强度仿真分析 英文题目 Based on the strength of the supporting post simulation analysis parameters SOLIDWORKS SIMULATION bogie test stand.

学生姓名 杜本文 班级 441002 学号 44100227 学 院 交通学院 专 业 交通运输类（汽车运用工程） 指导教师 徐观 职称 副教授

摘要

随社会的发展和人们出行的增多，轨道交通运输的重要性日益凸显。除方便人们出行外，轨道运输还具备其它交通运输工具所不具备的优势，例如节约用地、运输产能达、运行时间稳定、安全性高，因而极大程度上的方便了人们的出行。由此可见，轨道车辆是交通运输领域不可或缺的一部分。此外，轨道交通也可有效解决目前的交通拥堵问题，人们对轨道交通也愈发重视。随生活水平的提高，人们对除速度外的乘坐舒适性和安全性的要求也越来越高。

性能取决于参数，机械设计及制造领域的参数设计十分重要，轨道车辆也不例外。在目前的情势下，许多国内外轨道车辆研究机构都进行了不同程度、层次的轨道车辆参数试验台的设计研发。本论文的主要内容是通过对该测试平台关键部件的强度仿真来测定轨道车辆的性能参数以及对其进行性能分析。

本论文首先对高速轨道车辆参数测试台的研究现状做了简单介绍，而后对吉林大学交通学院设计研发的参数测试台的组成部分进行了讲解。为了研究高速轨道车辆参数测试台关键部件的强度，运用到了有限元的分析方法，采用SOLIDWORKS SIMULATION软件对龙门框架进行静力学有限元分析及模态分析，找到龙门框架在不同频率振动状态下的位移图解、在静态作用力下的最大应力、最大位移。

关键词：轨道车辆、参数测试台、龙门框架、强度、仿真。

Abstract

With the increase in travel and social development and people , the importance of rail transport has become increasingly prominent . In addition to easy for people to travel outside rail transport also have other means of transport do not have the advantages, such as land conservation , transportation and production capacity , run-time stable , safe , and therefore easy for people to travel great extent . Thus, the rail vehicle is an integral part of the transport sector . In addition , rail transportation can also be an effective solution to the current traffic congestion problems , people are increasingly takes on rail transportation . With the improvement of living standards , people's comfort and safety requirements in addition to outside the increasingly high speeds .

Performance depends on the parameters of the design and manufacture of mechanical design parameters is very important , rail vehicles are no exception. In the current situation , many research institutions at home and abroad have carried rail vehicles varying degrees , the level of rail vehicle parameters test rig design and development . The main content of this paper is to measure the performance parameters of rail vehicles as well as the strength of its performance analysis by simulation of the key components of the test platform .

This paper first high-speed rail vehicle research status parameter test bed to do a brief introduction , and then the traffic Jilin University, part of the development of the design parameters of the test units were explained . In order to study the strength of the high-speed rail vehicle parameter test sets of key components , applied to the analysis of the finite element method , using SOLIDWORKS SIMULATION software gantry framework static finite element analysis and modal analysis, to find the displacement of the goal frame at different frequencies of vibration states illustrates the maximum stress in the static force , the maximum displacement .

Keywords: rail vehicles, parametric test bench , the goal frame , strength, simulation .

目录

第一章 绪论??????????????????????? 1 1.1 轨道车辆转向架参数测试台的国内外研究现状??????2 1.2 轨道车辆转向架参数测试台研究目的和意义???????3 1.3 本文研究内容????????????????????3 第二章 轨道车辆转向架参数测试台的组成及关键部件 ?????5 2.1 轨道车辆转向架参数测试台的组成???????????5 2.2 轨道车辆转向架参数测试台的关键部件?????????7 2.3 本章小结??????????????????????8 第三章 基于SOLIDWORKS SIMULATION转向架参数测试台支撑立柱的

静载强度分析??????????????????? 9

3.1 SOLIDWORKS SIMULATION功能简介???????????11 3.2 转向架参数测试台支撑立柱的模型简化与设置分析??? 11 3.3 在SOLIDWORKS SIMULATION中分析数据设置方案?????13 3.4 龙门框架支撑立柱的静态分析???????????? 18 3.5 本章小结????????????????????? 56 第四章 基于SOLIDWORKS SIMULATION的转向架参数测试台支撑立柱

的模态分析????????????????????58

4.1 转向架参数测试台支撑立柱模态分析研究基础????? 58 4.2 转向架参数测试台支撑立柱的模态分析过程与分析结果??

4.3 本章小结?????????????????????101 第五章 总结?????????????????????? 103 参考文献????????????????????????104 致谢??????????????????????????105

图2.2止推龙门系统

2.1.2 滑台施力系统

滑台施力系统由机械系统和液压伺服系统两部分组成，如图2.3。机械系统包括双十字滑台系统、三维力传感器、导向轨道装置等；液压系统包括6台作用方向不同的加载液压缸。转向架纵向、横向及回转载荷的模拟就是通过6台液压缸的自由组合运动来实现的。此外，每个十字滑台系统又包括横向（Y）和纵向（X）滑动的上下2层滑座，每层滑座均布置了X方向和Y方向2个差动式位移传感器，整个滑台施力系统共包括8个这种位移传感器，可对该部分中的6台液压缸进给量进行控制。从而带动转向架进行横向、纵向及回转运动。

图2.3滑台施力系统

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2.1.3 测控系统

液压系统采用电-液伺服的力闭环控制方式。

转向架是按一定形式的载荷谱来模拟轨道车辆运动时的受力状态，对转向架力的输入或输出时是由阀控液压缸给出或加载。计算机发出的力指令信号经放大器放大后送入伺服阀的线圈中，伺服阀输出与电信号成比例的压差作用在液压缸的活塞上，形成于电信号成比例的作用。力传感器检测实际作用力并转换成电信号，经反馈放大器放大后与指令信号相比较，如果实际作用力小于给定值，2个电流差值不为零，则伺服阀输出的压差增加，升高活塞的作用力直至实际作用力等于给定值时为止。系统的油源为电机组合泵，工作压力和卸载均由电磁溢流阀设定和控制，压力表显示压力。系统的执行器为液压缸，通过电液伺服阀的控制，液压缸的活塞按要求方向运动并带动转向架运动，施加所设定的力。

2.2 轨道车辆转向架参数测试台的关键部件

2.2.1龙门框架

止推龙门系统在对转向架进行刚度测试过程中起到了至关重要的作用，是轨道车辆参数测试台的重要组成部分，止推龙门系统在对转向架进行刚度测试过程中起到了至关重要的作用，是轨道车辆参数测试台的重要组成部分，本文建模研究的加载龙门框架由刚度较大的横梁、立柱及一些连接件组成，结构如图2.5所示。

图2.5 龙门架装配体

2.2.2 六自由度运动测试平台

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六自由度振动加载平台可广泛应用于工程机械、军事设施、台架试验以及其它多种负载模拟设备上。六自由度振动试验的目的在于鉴定被检测测试件在振动激烈下保持其固有特性的能力[12]。

六自由度振动平台的结构如图2.4所示，通过多个激振器的协同运动来加载平台的多姿态运动。为保证平台运动的灵活性，所有激振器的前、尾端均加装了可消隙的球-铰链的连接方式[13]。

图2.4六自由度振动加载平台结构图

2.3 本章小结

本章对轨道车辆参数测试台的组成部分做了介绍，参数测试台由止推龙门系统、滑台施力系统、测控系统。本章不仅 对各组成部分的结构做了介绍，还对他们的工作原理做了详尽的讲解。此外，还对参数测试台的关键部件--六自由度运动测试平台、龙门框架做了功能和结构上的介绍。本章所述内容为接下来的论文奠定理论基础。

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第三章 基于SOLIDWORKS SIMULATION 转向架参数测试台支

撑立柱的静态强度分析

3.1 Solidworks Simulation 功能简介

从SolidWorks2009开始，著名的FEA软件的COSMOSWorks正式更名为SolidWorks Simulation。为了体现设计仿真的一体化的解决方案，它在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面、仿真流程无缝的融入到了SolidWorks的设计过程中。

SolidWorks Simulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。

其主要分析功能包括： a)系统及部件级分析

以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。

b)多领域的全面分析

任何一个产品决不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。

c)面向设计者的多场耦合

热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。

d)特殊行业及领域的需求

面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。

e)高级分析需求

面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。

3.2转向架参数测试台支撑立柱的模型简化与设置分析

所谓静力指的是结构受到静态载荷的作用，惯性和阻尼可以不考虑，在静态载荷作用下，结构处于静力平衡状态，必须充分约束，不能有任何刚体例外。由于不考虑惯性，因此材料的质量特性对计算结果没有影响。

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经过一次次的分析，从一个斜支撑立柱、龙门架主横梁、六方柱式龙门架立柱、方柱与左侧斜撑立柱装配体、方柱与右侧斜撑立柱装配体、龙门架右侧五柱装配体、龙门架左侧五柱装配体??直到整个柱龙门框架装配体。至此确定了是斜支撑立柱结果过于复杂导致无法成功的进行网格化。因此，为了进行模拟仿真运算的进行，不得不对龙门框架进行简化，对斜支撑立柱进行替换。本文用六方柱式立柱对斜支撑立柱进行的简化替换。下面将分析简化后龙门框架。龙门框架简化结果如图3-1所示。

图3-1 龙门框架简化结果

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图3-54 施加静载荷

运行结果：

应力图解，如图3-55所示：

图3-55 应力图解

最大应力为13968.1N/m2 位移图解，如图3-56所示：

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图3-56 位移图解

最大变形量出现在龙门框架横梁中点，位移变化量为3.491e-007m 应变图解，如图3-57所示：

图3-57 应变图解

最大应变为5.690e-008m 比较结果，如图3-58所示。

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图3-58 比较结果

3.4.6增加十八个支撑侧力柱的龙门框架静态分析

设置算例：在SOLIDWORKS SIMULATION菜单下选择算例选项。在左边的树形视图区中，单击静态命令。如图3-59所示。

图3-59 设置算例

给装配体赋材料：在SOLIDWORKS SIMULATION中单击“应用材料”，系统自动弹出“材料”属性管理器。选择“钢（32）”--“AISI 1015钢，冷拔（SS）”。在“材料属性”中将模型类型选为“线性弹性同向性”。“单位”选择“公制”。其它选择默认设置，如图3-60所示。单击“应用”按钮完成材料赋予操作。

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图3-60 给装配体赋材料

生成网格：网格划分也称为离散化过程，也就是将一个数学的模型转化为有限元模型以备后续的求解。作为一种有限元的分析方法，在划分网格的过程中，我们要达到两个目的：第一，使一个连续的试验模型被一个离散的实验模型所取代。通俗来说，网格划分就是把过程简化为一系列的有限的多个未知域，而且这些未知域符合近似数值技术的求解目的。第二，它用一组单元各自定义的简单的多项式函数来描述我们期待得到的解。所以，网格的划分是求解问题过程中不可或缺的一项任务。

网格划分是一项很严苛的任务。网格划分的步骤分为三步：评估几何模型--处理边界--创建网格。网格划分的问题可能出现在任意一步。在对几何模型进行评估的过程中，SIMULATION会检查在SOLIDWORKS中所创建的几何模型。实体组件真正意义上的网格划分由两个阶段组成，处理边界的时候，划分程序将节点置于边界上，这一阶段为表面划分。如果这步成功，那么第三阶段创建网格将会开始。

在SOLIDWORKS SIMULATION管理器中左键单击“运行”，在弹出的菜单中选择“生成网格”的选项。如图3-61所示。

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图3-61 划分网格

固定零件：单击“零件”--在弹出的菜单中选择“固定几何体”--通过操纵鼠标滚轮保证清晰的视角，选择地面做固定面，单击确定。被固定后的增加两个支撑立柱的龙门框架模型如图3-62所示。

图3-62 固定几何体

施加方向力：“外部载荷”--“力”单击弹出对话框，“单位”更改为“SI”，填写数值10000N，单击确定，完成力的设置。如图3-63所示。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n162.html