（车辆工程专业论文）200kmh电力机车辅助变流柜的结构仿真分析.pdf

摘要 摘要 为了适应我国时速2 0 0 k m 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2 0 0 k m 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c a t i a 完成了2 0 0 k r n 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 h y p e r w o r k s ，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 e n6 1 3 7 3 ，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2 2 0 m p a ，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 2 0 h z ，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 2 0 0 k m 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。 关键词：电力机车；辅助变流柜；仿真分析；有限元法 大连交通人学t 学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e ta c t u a lr e q u i r e m e n ta b o u tl o c o m o t i v et r a v e l l i n ga ts p e e d2 0 0 k m hi n p a s s e n g e rs p e c i a ll i n ei no u rc o u n t r y ，a n dm u c hb e t t e rt os a t i s f yr a i s i n gt r a i ns p e e do nt h e e x i s t i n gm a i nl i n e s ，w ea r ed e v e l o p i n gt h en e wg e n e r a t i o n2 0 0 k m he l e c t r i c l o c o m o t i v e e l e c t r i cd r i v es y s t e mi sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp a r to ft h el o c o m o t i v e a u x i l i a r yc o n v e r t e r c a b i n e ti sa ni m p o r t a n td e v i c ei nt h el o c o m o t i v ee l e c t r i cd r i v ed o m a i n , i nw h i c ht h e r ea r e m a n ye l e c t r i c a le q u i p m e n t s t h e yd e p e n do ne a c ho t h e r , r e s t r i c te a c ho t h e r t h e ya r ev e r y i m p o r t a n tf o r t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sr e a l i z a t i o n w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo ft h el o c o m o t i v es p e e d ，c o m p r e h e n s i v el o a d i n ge f f e c t ，t h e l o n g i t u d i n a l h o r i z o n t a la n dv e r t i c a li m p a c ta n dv i b r a t i o nw h i c ht h et r a i nb e a rb e c o m em o r e a n dm o r ec o m p l e xi nt h et r a i no p e r a t i o np r o c e s s o p e r a t i o nc o n d i t i o n so fv e h i c l eb o d ya n d i n s t a l l i n gs t r u c t u r ei n c l u d i n gh a n g i n gd e v i c e sb e c o m ew o r s e 1 1 1 ec a b i n e t ss t r u c t u r a ls t r e n g t h a n dp r o p e r t i e so fv i b r a t i o nc a nd i r e c t l yi n f l u e n c en o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i c a la p p a r a t u si n t h ec a b i n e t ，e v e na f f e c tt h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft r a i n s t h e r e f o r e ，w em u s tc a r r yo nt h es t r e n g t h a n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i so ft h ec a b i n e tt oe n s u r et h er e a s o n a b l e n e s so fd e s i g na n ds a f e t y o ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g ns t a g e i nt h i sp a p e r c o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ec a t i ai su s e dt om o d e lt h e a u x i l i a r yc o n v e r t e rc a b i n e ti n t h e2 0 0 k m he l e c t r i cl o c o m o t i v e b a s e do nt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fc a b i n e t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eh y p e r w o r k si su s e dt oe s t a b l i s h t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc a b i n e t t l l i sc a b i n e ta n di n n e re q u i p m e n t sa r ec o n n e c t e db yr i v e t a n db o l t t h es i m u l a t i o nm e t h o do fr i v e ta n db o l tc o n n e c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mw e l d i n g a i m i n ga tp a r t i c u l a r i t yo ft h ec o n n e c t i o nw a y ，r i g i de l e m e n t sa r ea d o p t e d t os i m u l a t eb o l ta n d r i v e tc o n n e c t i o n ，m a s se l e m e n t sa r eu s e dt os i m u l a t ee l e c t r i c a le q u i p m e n t si nt h ec a b i n e t a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r de n6 137 3 c a r r i e so u ti n t e n s i t yv e r t i f i c a t i o no ft h ec a b i n e tb o d y u n d e ri n e r t i a lf o r c e t h e na n a l y s i st h em o d a lo ft h ec a b i n e t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e s t e q u i v a l e n ts t r e s so ft h ei n i t i a ls t r u c t m a li sg r e a t e rt h a nt h ea l l o w a b l es t r e s s2 2 0 m p a , t h e s t r u c t u r a ls t r e n g t ho fc a b i n e td o e s n tc o n f c l l t n sw i t hs t a n d a r d s oi m p r o v e m e n ti sd o n et ot h e w e a k n e s sp a r t so fc a b i n e t ，t h e nt h es t r e n g t hc h e c k i n ga n dm o d a la n a l y s i sa r ec a r d e do u tt ot h e i m p r o v e dc a b i n e t t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e s te q u i v a l e n ts t r e s so ft h ei m p r o v e d s t r u c t u r ei sl e s st h a nt h ea l l o w a b l es t r e s so fm a t e r i a l ，e a c ho r d e rf r e q u e n c yi sg r e a t e rt h a n 2 0 h zw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es t a n d a r d t h i si m p r o v e m e n te n s u r e st h es t r e n g t ho f t h es t r u c t u r ea n d i m p r o v e si t sn a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c st oa v o i d r e s o n a n c e p h e n o m e n o no ft h ec a b i n e tb o d ya sw e l lf i t st h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t s a n de n s u r e st h es a f e t y o ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o ，t h er e s u l t sp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ea u x i l i a r yc o n v e r t e rc a b i n e ti nt h e2 0 0 k m he l e c t r i cl o c o m o t i v e h 摘要 k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；a u x i l i a r yc o n v e r t e rc a b i n e t ；s i m u l a t i o n a n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：表3 害 日期：弘哗瑚ie t 导师鲐为，而薛 e l 期：锄固年j 2 月i1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址：邮编：，弓6 呼，刀3 - 0 够 电子信箱：门以尾“8 玖之“f 玖f 易参d 9 n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞适太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：) 宕 日期：南oy 年z 月，日 绪论 绪论 1 课题背景和立题意义 随着既有电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展，以第六次大提速的成功实施 为标志，我国铁路技术装备现代化已经取得了重大成果。我们已经掌握了世界先进成熟 的铁路机车车辆制造技术。法国阿尔斯通、日本川崎重工、加拿大庞巴迪、德国西门子、 美国g e 、e m d 等公司，都是世界著名的铁路技术装备制造企业，他们拥有当今世界一 流的时速2 0 0 公里及以上动车组和大功率电力、内燃机车设计制造技术。经过艰苦努力， 我们成功实现了这些技术的转让引进，使我国铁路装备技术跻身世界先进行列。动车组 和大功率机车的核心技术已为我所有。高速动车组的总成、车体、转向架、牵引变流、 牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系统等核心技术，大功率电力机 车的总成、车体、转向架、主变压器、网络控制、主变流器、驱动装置、牵引电机、制 动系统等核心技术，大功率内燃机车的柴油机、主辅发电机、交流传动控制等核心技术， 以及大量的配套技术，我们都已掌握。运用这些技术生产的时速2 0 0 公里及以上动车组 和大功率机车的国产化率可达到7 0 以上。 近年来，中国铁路机车车辆工业坚持“引进一消化吸收一再创新”的技术路线，始终 将把握先进技术放在首位，走出了一条以我为主，博采众长的自主创新之路。在机车车 辆研制开发的过程中，引进一些国外的技术、零部件是必要的。只要具备自己的系统集 成能力，就能够把来自不同国家的先进技术和零部件，融汇到自己开发的机车车辆产品 中去，创造自己的整机品牌和产品系列。2 0 多年来，由于在引进国外先进技术、零部件 的同时，始终着力培植和发展自己的系统集成能力，使机车车辆工业总体创新能力有了 很大提高。目前，我国新研制的机车车辆己形成了自己的设计风格和系列，很难看到国 外设计的痕迹。 目前正在研制设计的新一代2 0 0 k m h 交流传动客运电力机车就是在引进国外先进 技术的基础上实现国产化。2 0 0 k m h 机车总体设备布置的设计思路是基于国际先进的 p r i m e 系列机车的平台上搭建的。采用了模块化、通用化、系列化的设计理念，机车 的总体布局、通风系统以及机车的总体结构参数都是在消化吸收h x d 2 机车先进、成熟 技术的基础上来研制的。其中，辅助变流柜的设计也是采用了模块化的设计理念，不同 原有机车的形式，采用g a l f a n 钢板铆接和螺栓连接的结构形式，在国内还是首例。 辅助变流柜内部放置了大量的电气设备，成为机车电气传动中一个重要组成部分，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。 人连交通大学t 学硕十学f = ：7 = 论文 由于列车运行中存在纵向、横向及垂向的冲击和振动，车体及其安装结构承受着复 杂的综合载荷作用。随着铁路机车车辆运行速度的不断提高，车载吊挂件的运行工况变 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。如果柜体某阶振型的自振频率与外界激励的频率接近，那么柜体将在 该频率下发生相应振型的强烈共振，从而导致设备损坏，并将大幅降低柜体的使用寿命。 因此，对柜体结构进行强度及模态分析，在设计阶段确保结构的可靠性是很有必要的， 而且这也可为结构优化设计以及深入的动力学分析和疲劳分析提供依据。 随着计算机技术和数值计算方法的发展，大型复杂工程问题可以采用适当的数值计 算方法并借助计算机技术求得满足工程要求的数值解。有限元方法作为工程分析的一个 重要的数值计算方法，从2 0 世纪4 0 年代至今，经过6 0 多年的发展和完善，其理论己经相 当成熟【t 】。有限元法是在当今工程分析中获得应用最为广泛的数值计算方法。由于它的 通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。有限元软件是使用有限元方法解决各种 科学和工程问题的关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产 力，使之发挥巨大的经济和社会效益。有限元法广泛应用于工程的许多领域，如强度分 析、模态分析、动态响应、热效应、场分析、谱分析、疲劳分析、断裂、噪声响应等许 多领域，有限元法也日趋完善【2 】。在国内，有限元法以及计算机数值模拟已经被广泛的 应用于科学研究和工程实践之中，并且取得了长足的进步。 2 研究的主要内容 在研究和掌握有限元分析理论、模态分析理论以及应用软件基础之上，根据2 0 0 k m h 电力机车生产实际的要求，结合以往的研究成果和国内外理论发展的现状，确定本课题 的主要研究内容如下： ( 1 ) 明确2 0 0 k m h 交流传动机车辅助变流柜的主要功能，进行辅助变流柜的结构设计 ( 柜体骨架设计) 和辅助变流柜的内部设计，用c a t i a 软件对柜体及其内部设备进行c a d 建模。 ( 2 ) 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h y p e r w o r k s ， 建立合理的柜体有限元分析力学模型。 ( 3 ) 研究柜体所受载荷，依据标准e n6 1 3 7 3 ，考核柜体在惯性力载荷下的强度。 ( 4 ) 对柜体进行模态分析，研究柜体的固有频率和振动特性。 ( 5 ) 根据强度分析和模态分析的结果，对柜体结构进行合理的改进。本研究为2 0 0 k m h 交流传动机车辅助变流柜的研制开发提供了一定的理论依据。 2 第一章基本理论及应用软什简介 第一章基本理论及应用软件简介 结构分析方法可分为两大类：经典分析方法和数值分析方法。 经典分析方法有精确解法和近似解法。精确解法通过给定边界条件直接采用控制微 分方程来求解工程问题，其方程是基于物理原理而建立的。近似解法是对控制微分方程 求得近似解，采用适当截断误差的级数展开式表达。经典分析方法虽然可以解决某些问 题，但在求解工程技术领域的实际问题时，由于其几何形状，材料特性和外部载荷域的 不规则性，求得解析解却是很困难的。 数值分析方法有能量法、边界元法、有限元法。目前在工程实际应用中，有限元法 ( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种非常重要的数值计算方法，是解决工程实际问题的一 种有力的数值计算工具，】。 本章介绍了有限元法的基本思想及分析过程，也比较详细介绍模态分析的理论基 础。同时介绍了有限元法实际应用所需要的建模和分析软件。 1 1 有限元法基本理论 自本世纪5 0 年代以来，由于电子计算机技术的迅猛发展，有限元法在航空、水利、 船舶、土木建筑、机械及车辆工程等领域的工程计算过程中得到广泛的应用。它是将弹 性理论，计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术。由于这一方法 的灵活，快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计 算方法。 有限元法运用离散的概念，把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域 ( 单元) 所构成，其模型给出基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被分割成 各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状，复杂的材料特性和 复杂的边界条件。随着计算机的不断发展，有限元法成为工程上应用最有效、最成功的 一种数值计算方法一】。它的具体分析过程如下： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基础。所谓离散化的 过程，就是将分析的结构物划分成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，把相 邻的单元体在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。 ( 2 ) 选择位移模式 3 火连交通入学t 学硕十学位论文 在结构的离散化完成之后，就可以对典型单元进行特性分析。为了能用节点位移表 示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移分布做出一定 的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数的适当选择是有限单元分析的关键。在有限单元法应用中，普遍地选择多 项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分或积分) l l 较方便，并且由所 有光滑函数的局部看来都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项 数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。一般说来，多项式的 项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项。 根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式， 其矩阵形式是： 厂) = 【】 6 ) 。 ( 1 1 ) 式中 门为单元内任一点的位移列阵； f 6 ) 。为单元的节点位移列阵； 1 称为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ， ( 3 ) 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。包括下面三部分内容。 利用几何方程式，由应变的表达式导出用节点位移表示单元应变的关系式： ) = b 】 6 ) 8 ( 1 2 ) 式中f 1 是单元内任一点的应变列阵； b 1 为应变矩阵。 利用物理方程，由应变表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式： o ) = d 】【b 】 6 ) 8 ( 1 3 ) 式中 o ) 是单元内任一点的应力列阵； d 】是单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单元的刚 度方程： r ) 8 = 【七】 6 ) 8 ( 1 4 ) 式中 j i 】称为单元刚度矩阵，上式的积分应遍及整个单元的体积。 h = 肌b 九d p 】妣纰 ( 1 5 ) ( 4 ) 计算等效节点力 4 第一章基本理论及应用软什简介 弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而，这种作用在单元边 界上的表面边以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就 是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力 与等效节点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行的。 ( 5 ) 建立整个结构的平衡方程 整体分析的基础是根据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点上的节 点力和节点载荷保持平衡这两个原则。它包括两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩 阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的 载荷列阵。这样整个结构的平衡方程为： 【足】 6 ) = r ) ( 1 6 ) 式中k 1 为整体刚度矩阵； f r l 为整体载荷列阵； f 6j 为整体的节点位移列阵。 ( 6 ) 边界条件的处理 应用位移边界条件，消除总体刚度矩阵的奇异性，使得( 1 6 ) 可以求解。 ( 7 ) 求解未知节点位移和计算单元应力 结构的平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解这个方程组可以求 得未知的节点位移。 最后，通过已求出的节点位移可以代入( 1 2 ) 和( 1 3 ) 计算任一单元及节点处应变及应 力等，并加以整理得出所要求的结果。 1 2 模态分析理论 模态分析是研究结构动态特性的一种近似分析方法。 模态是机械结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数，如固有频率、阻尼和 振型等称为模态参数。每一阶模态都有与其相对应的模态参数。各阶模态的叠加就是结 构固有振动特性的全貌。结构的模态可以用模态分析方法，通过计算或试验分析取得。 基于线性叠加原理，一个结构的复杂振动由无数阶模态叠加的结果，其中有对结构 振动起主要作用的模态，也有对结构振动作用很小的模态。显然，必须运用某种方法， 找到那些主要的模态，以便了解结构振动特性的实质。而这种方法就是模态分析，它是 大连交通大学t 学硕十学位论文 一个将结构的复杂振动分解为许多简单而独立的振动，并用一系列模态参数来表示的过 程。 模态分析方法分为解析模态分析和试验模态分析两种。如分解过程是应用有限元计 算方法完成并取得模态参数，则称为解析模态分析( 也称为计算模态分析) ；如果是基于 对实验采集的系统输入、输出信号作分析处理后获得模态参数的，就称为试验模态分析。 本文所采用的模态分析方法为解析模态分析 s - 7 ) 。 1 2 1 弹性体振动理论基础 根据达朗贝尔( d a l e m b e r t ) 原理，可以推得动力平衡方程为： 【m 】 s ) + c 形) + k 6 ) - e ) ( 1 7 ) 其中：m 1 为整体结构的质量矩阵。由各个单元的质量矩阵组装而成，方法类似于 总体刚度矩阵 k 】的形成规则。【c 】为结构的阻尼矩阵，根据需要可以采用不同的形成 方式。 6 ) 、) 、 s ) 分别表示结构的位移、速度及加速度列阵。 对于有阻尼情况，振动方程可转化为： ( 【m 】+ 细【c 卜2 【m 】) 6 ) = o ( 1 8 ) 实际上在模态分析中砰( i - 1 ，2 ，n ) 就是求解振动方程的特征值即特征方程的 根，进而求得结构的固有频率f ( i = 1 ，2 ，n ) 和位移列阵 6 ) 即结构的振型。 如果要计算无阻尼下结构的固有频率和振型，推导以后可得到如下的频率方程： i k - c 0 2 肘】l = o 解此方程可以得到结构的n 对特征值和特征向量，对应于结构的频率和振型。解广 义特征值的方法主要有广义雅可比法，逆迭代法以及子空间法。当系统的频率和振型求 得以后，还可以使用振型迭加法求得系统响应。对于计算响应比较长的情况，使用逐步 积分法比较合适。 1 2 2 动力学方程和质量方程 对于动态结构，外力和位移都是时间的函数，如果不考虑阻尼力，则根据达朗贝尔 原理，只要在外力中计及惯性力，便可像推导静力平衡方程一样建立动力学方程。 由形函数1 的含义，对单元e 有： f ) = 】 6 ) 。 ( 1 9 ) 式中 门为单元内各点的位移； 6 第一章基本理论及戍用软件简介 6 ) 为单兀币点的位移； 上式两边对时间取两次导数，得： 夕) = 【】 s ) p ( 1 1 0 ) 式中 以为单元内部各点加速度； s 。) 。为单元节点的加速度； 于是，单元内部的分布惯性力便可表示为： 巴) = 一p 刀- - - 9 n g 。) 。 ( 1 1 1 ) 式中p 为单元的质量密度； 设单元中的体积力( 以体单元为例) 是 p ) ，计及惯性力后，有： ( p ) = p ) 一p 【】 s ) 8 ( 1 1 2 ) 又由虚功原理有： j 【】7 p 7 ) 咖+ ，【】7 q d a + ，) 。= 【七】 6 ) 。 ( 1 1 3 ) 式中 g ) 为面积力； f ) 8 为单元节点力。 k 】为单元刚度阵，【后】- j 【b 】。 d 】 b 】咖 b 】为单元应变矩阵，用下式定义： ( ) = 曰】 6 ) 。 【】为广义应变矩阵，【】- ，8 y ，：，丫砂，丫弦，丫曩) 。 【d 】为弹性矩阵，用下式定义： p 】- 【d 】 8 ) 【o 】为广义应力矩阵，p 】_ p ，o y ，o ：，百秽，t f ，t 嚣) 1 将( 1 1 0 ) 代入( 1 11 ) ，得 ，p 【】r i n d r 8 ) 8 + j b 】7 【d 】 b 】咖 6 ) 。= ，【r p d v + i n7 1 q d a + f ) 。( 1 1 4 ) 记单元质量阵 【m 】= jp 【】1 【】咖 大连交通大学t 学硕十学位论文 按照有限元法通常的集合过程，最后得到动力平衡方程： 【m 】f s + k l i a ) = r ) ( 1 1 5 ) 式中 m 】为整体质量矩阵； k 】为整体刚度矩阵； 尺) 为等效节点载荷矢量。 1 2 3 特征值问题 在没有载荷的情况下，由方程( 1 1 5 ) 得无阻尼自由振动方程组： 【m 咿) + 【k 】 6 ) = o ( 1 1 6 ) 方程( 1 1 6 ) 是常系数线性齐次常数微分方程组，其解的形式为： 6 ) = f s - s i n ( o t ) ( 1 1 7 ) 这样得： ( 吲一0 3 2 【m 】) s ) = o 为书写方便起见，仍记作： ( k - 0 2 【m 】) 6 ) = o ( 1 1 8 ) 上式是齐次的线性代数方程组，若要有非零解，则必须有系数行列式等于零，亦即 d e t ( e k 一0 3 2 m i ) = 0 ( 1 1 9 ) 它是2 的n 次( 矩阵阶数为n ) 实系数方程，称为常系数线性齐次微分方程组( 1 1 6 ) 的特征方程。求解方程组的问题称为广义特征值问题；满足方程组( 1 1 6 ) 的解2 = ，2 及 其对应的矢量 6 ) = ) o = 1 ，2 ，刀) ，分别称为特征值和特征矢量，或称为特征对。广 义特征值问题( 1 1 6 ) 有n 个实特征值，他们有下列关系： 0 5 1 0 1 2 c 0 2 2 o n 一2 - - o n 2 其中c o 。，0 3 ：，c o n 分别称为结构的第一，第二，第n 阶固有频率，与其相应的特 征矢量地) ， 屯) ， 机) 称为第一，第二，e a o9 第n 阶固有振型剐0 1 。 1 3 应用软件简介 随着计算机技术的不断发展，其软硬件条件的不断改善，为有限元等数值计算方法 在计算机中的实现提供了条件。目前，能够实现大型结构三维实体精确建模和有限元分 8 第一章基本理论及麻j | j 软件简介 析的软件己经很多。本文中采用的软件分别是c a t i a ，a l t a i h y p e r w o r k s ( h y p e r m e s h ， o p t i s t r u c t ，h y p e r v i e w ) 。 1 3 1c a t i a 软件简介 c a t i a 是法国达梭公( d a s s a u l ts y s t e m ) 于1 9 7 5 年起开始研制的一套完整的3 d c a d c a m c a e 一体化软件。它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、 分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了 大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。由于其功能强大 而完美，c a t i a 己经几乎成为三维c a d c a m 领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特 别在航天，汽车，造船和电子设备，通用机械，摩托车等领域占据着领先地位。 c a t i av 5 不但具有v 4 版本的强大功能，还增加了许多新的特性。c a t i av 5 包含 的模块有( 以p 3 版本为例) ：基础构造模块，机械设计模块，造型模块，分析模块，a e c 工厂模块，n c 加工模块，数字模型模块，设备与系统模块，数字程序与加工模块，人 机工程设计与分析模块，各个模块都具有强大的功能。其中有基本的机械零件、铂金件、 模具的设计功能以及工程图绘制；不规则曲面的自由塑造、利用手绘草图来建构盐面以 及曲面编辑等功能；机械设计模块中有专门的航空铂金件设计模块。强大的曲面造型能 力是c a t i a 尤为值得称道的地方，c a t i a 几乎可以绘制出任意复杂的3 d 形体，并且 可以方便的建立零件库和绘制工程图。另外，还能对绘制的零件精心模拟装配，及时地 把问题消除于设计阶段】。 1 3 2h y p e r w o r k s 软件简介 舢t a i r 固h y p e r w o r k s 是世界领先、功能强大的c a e 应用软件包，是一个创新、开 放的企业级c a e 平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的 开放性、灵活性和友好的用户界面。h y p e r w o r k s 包括很多模块，下面对本研究所用的 其中三个模块做简要的介绍： ( 1 ) a l t a i r h y p e r m e s h a l t a i r 固h y p e r m e s h 是高性能、开放式有限单元前后处理器，让您在一个高度交互 和可视化的环境下验证及分析多种设计情况。 在这里软件h y p e r m e s h 主要是用来做前处理。 h y p e r m e s h 软件是美国a l t a i r 公司的产品，是一个高效的有限元前后处理器，能够 建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并 具有高效的网格划分功能。h y p e r m e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前 后处理软件，工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分 9 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 析。h y p e r m e s h 的图形用户界面易于学习，可以直接使用c a d 几何数据和现存的有限 元模型，从而减少附加的冗余数据。其先进的后处理工具可以很方便地显示复杂的模拟 结果，并使之易于理解。h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能无与伦比。 q h y p e r m e s h 的c a d 接1 2 及几何模型整理 h y p e r m e s h 具有工业界主要的c a d 数据格式接口。它包含一系列工具，用于整理 和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质 量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等，您可以在模型内 更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格划分的总体速度和质量。同时具有云图显 示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，及时检查并改进网格质量。 ( 至) h y p e r m e s h 的模型创建和编辑 在建立和编辑模型方面，h y p e r m e s h 提供用户一整套高度先进、完善的、易于使用 的工具包。对于2 d 和3 d 建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格 划分模块。h y p e r m e s h 的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可 以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划 分算法等。h y p e r m e s h 提供多种形式的网格质量检查菜单，使用户可以实时控制单元质 量，另外还提供了多种网格质量修改工具。 h y p e r m e s h 提供了多种焊接单元生成方法。其中，利用c o n n e c t o r 进行大规模自动 化焊接单元转化，大大减少了手工单元生成的操作，同时各类焊接单元质量检查工具可 以让用户少犯错误。 h y p e r m e s h 的强大的后处理功能 h y p e r m e s h 提供完备的后处理功能组件，让您轻松、准确地理解并表达复杂的仿真 结果。h y p e r m e s h 具有完善的可视化功能，使用等势面、变形结果、等高线、瞬时结 果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示。另外可以直接生成b m p 、 j p g 、e p s 、t i f f 等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友好的用户界面 使您迅速找到问题所在，同时有助于缩短评估结果的过程。 ( g ) h y p e r m e s h 的求解器接口 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成。现在可支持 l s d y n a 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、r a d i o sb l o c k 、a n s y s 、p a m c r a s h 、 n a s t r a n ，m a r c ，m a d y m o ，c m o l d ，m o l d ，m o l d f l o w 等求解器。除此之外， 还具有很强的灵活性，可通过一整套输出模板语言和c 语言库来开发输入数据转换器， 从而可以支持其他求解器。 ( 2 ) o p t i s t r u c t 概述 1 0 第一章基本理论及应用软什简介 a l t a i r o p t i s t r u c t 是用于概念设计和改进设计、基于有限元的结构分析及优化软 件。o p t i s t r u c t 内部包含一个快速、准确的有限元求解器，它帮助工程师使用标准的单 元库和类型广泛的边界条件来优化线性静力和固有频率问题。o p t i s t r u c t 包含在a l m i r h y p e r m e s h 完善的图形用户界面内，可以让用户轻松、快速地进行复杂问题的模型建 立、提交求解及后处理。 ( 3 ) h y p e r v i e w 概述 软件a l t a i rh y p e r v i e w 主要用做后处理。 h y p e r v i e w 属于高性能的有限元和机械仿真系统处理器，是一个完整的后处理软件， 具有可视化用户环境，用于处理有限元分析数据、多体动力系统模拟数据、视频数据和 工程数据等。其三维图形显示非常快，具有一些独特功能，在c a e 的后处理速度和集 成方面创造了一个新的典范。h y p e r v i e w 既可以观看整个模型在某一时刻的结果，也可 观看模型在不同时间段或子步历程上的结果，可处理瞬态或动力分析结果。h y p e r v i e w 的各过程具有自动操作的特点，能够让您交互地显示数据、进行数据捕捉、对后处理数 据进行标准化设置等。h y p e r v i e w 还能将三维动画结果存储为a l t a i r 的压缩格式，即h 3 d 格式，这样就可以用h y p e r v i e wp l a y e r 播放器对c a e 分析结果在三维网络环境中进行 显示和共享 1 2 1 。 本章小结 本章对有限元分析理论和模态分析理论进行了阐述。对本文所要用到的三维造型软 件c a t i a 和有限元分析软件a l t a i r h y p e r w o r k s ( h y p e r m e s h ，o p t i s t r u c t ，h y p e r v i e w ) 进 行了简要的介绍。 火连交通人学| 1 ：学硕+ 学位论文 第二章2 0 0 k m 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 该辅助变流柜安装在2 0 0 k m h 交流传动电力机车的机械间里，其主要功能是： 为机车上的三相交流负载提供a c 3 8 0 v 电源； 为机车上的单相交流负载提供a c 2 2 0 v 的电源； 为机车上的直流负载提供d c l1 0 v 的电源； 为机车上的蓄电池提供满足充电特性的充电电源； 实现机车上的各种辅机和辅