多轴电力机车结构有限元概述

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1、多轴电力机车结构有限元概述第1章绪论在世界上所有交通工具中，铁路运输具有不可替代的许多优点，如大运载量、高运行速度、低能耗、低运输成本等，因此，铁路运输的发展对带动当地经济发展，促进地区与各国乃至全球间商业、贸易和政治文化交流，改善整个人类生活起着举足轻重的作用。在1825年，英国建成世界上第一条铁路，开启了铁路行业这一人类新篇章，在之后短短的180多年的时间，全球大部分的国家和地区都有铁路，为数众多的铁路仍在毫不停歇地新建中。当然，跟其他交通工具一样，铁路运输也有着其发展过程，也就是运输能力不断提高的过程，其主

2、要特征是列车重量、行车速度与密度的不断提高。为了提高列车运输能力的同时保障列车运行的平稳性、安全性、舒适性等方面，全人类投入了大量的人力、物力不懈地研究着⑴。使用新的技术,增加了世界各国重载列车的牵引重量[2]。位于澳大利亚西部，在2001年6月，其重载列车的牵引总重接近l00000t，世界最高记录在钮曼山一海德兰重载铁路上被创造了。在巴西的卡拉奇重载铁路上，重载列车达到了390001的牵引重量。南非铁矿重载列车已有259201的牵引重量。在美国的一家大型铁路公司，拥有约54000km的经营里程，旗下列车有149

3、00t的牵引均重，重载列车有2?3万吨的均重，总共有约2亿吨的年货运量。我国地域开阔、人口众多、铁路网分布广。由于各地区经济发展不平衡，客运需求的差别较大，对于跨地区的长途客运和山区铁路更宜采用机车牵引模式。为了提高山区铁路的运量，首先应提高列车牵引定数，并相应提高机车功率，但功率与粘重比必须恰当。因此，发展大功率、大粘重的机车也是十分需要的。山区小半径曲线多(例如齡桂线最小曲线半径175m)，选用机型时必须考虑运行的安全性及轮轨磨耗。为此，釆用二轴转向架八轴机车的优越性便更为突出。作为八轴机车最重要的部件转向架

4、是交流传动机车设计技术的重点和难点。因此，做好八轴机车转向架构架的选型和结构设计有着极其重要的意义。1.1几种转向架轴式的比较机车重量、机车总功率、牵引重量和线路最大承受重量等因素基本可以确定机车的轴式和轴数。对于电力机车，可以选择3种轴式，分别为：二轴转向架一Bo轴式，可组成单节四轴和双节八轴电力机车;三轴转向架一Co轴式，可组成单节六轴车;四轴转向架一BoBo轴式，可组成单节八轴电力机车。这三种轴式都具有各自的缺点和优点，下面以表格的形式从电机的牵引功率大小、研制转向架的难易程度和曲线通过性能等方面进行分析。

5、将三种轴式的情况列于表1-1。在工程和科学技术各个领域内，对于许多力学、物理等问题，人们已经找到了应遵循的基本方程（常微分方程和偏微分方程）和相应的定解条件。但只有少数比较简单的方程能够通过解析法得到精确解。对于大部分问题，由于方程或涉及求解区域，具有比较复杂的几何形状，而很难以解析法得到精确的答案，解决这些问题的方法通常有两种：一种是设置简化假定，从而使方程能够简化，使边界条件也能得到简化，然后加以处理，从而得到问题在简化情况的解答，这种方法对于很多复杂问题是不可行的，因为过多简化可能导致误差很大甚至错误的解答

6、。另一种途径和方法则是近年来得到突飞猛进发展的数值解法，特别是近三十多年来，随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，数值方法己成为求解工程和科学技术问题的工具[9]。有限元法是一种工程数值计算方法，其适应性很强，可以解决各种各样的复杂工程问题。有限元法的基本思想就是将任意一个连续体离散化为一组有限个、按一定方式互相联结且几何形状简单的单元组合，单元本身又可以有不同形状，使复杂问题简化从而得到问题的解。在每一个单元内部都假定一个近似函数，从而使总的场函数能够被分区地表示，这是有限元方法应用于数值分析的一主要特征。单元内

7、的近似单个函数一般由场函数，或这些函数与它的导数在该单元各个节点上的数值和其插值函数来表达。这样一来，未知场函数或未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的无限自由度问题，一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数的增加，即单元尺寸的缩小，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解[iG]。第2章构架中单元尺寸和单元类型的选择由于有限元中的网格划

8、分能力一直没有得到改进，单元类型和单元尺寸的选择不合适会导致求解时间、收敛速度等方面的一系列问题。在构架的模型处理中经常会碰到这些问题，如某些复杂的结构使用六面体网格划分困难，某些结构采用一定的单元尺寸得不到相对准确的数值解。结构离散的最佳质量网格就是在完全反映结构的应力状态的同时，单元和节点数最小[20]。从而求解结果正确，求解时间最短。在现有网格处理能力的情况下，对构