赵坤汽车运用工程基于ALGOR的转向架参数测试台加论文.docx

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赵坤汽车运用工程基于ALGOR的转向架参数测试台加论文

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本科生毕业论文（设计）

中文题目基于ALGOR的转向架参数测试台加载平台

强度仿真分析研究

英文题目

学院交通学院

专业汽车工程运用

吉林大学学士学位论文（设计）承诺书

年月日

摘要

当前世界经济快速发展，人民生活水平不断提高，在满足物质要求的前提下，更多的人选择外出旅游来缓解当下的生活压力，尤其是中国这样一个人口众多，资源丰富的国家，轨道运输的重要性就凸显了出来。

当然，轨道运输的优势也有别于其他交通方式，例如单次运输量大，安全性高，速度快，节约能源和保护环境。

因此我们可以看到在未来的交通运输领域，发展轨道交通是必然趋势，特别是在一些大城市，发展城市轨道交通更是一个解决交通拥堵行之有效的办法。

我国自1997年以来，已经进行了六次铁路提速，速度的提高必然也要考虑对其它因素的影响，比如轨道车辆的稳定性、安全性和乘坐的舒适性。

毫无疑问，性能决定于参数，在机械设计及制造过程中，参数具有极其重要的作用，轨道车辆的设计研发也不例外。

针对目前的现状，众多国内外的轨道车辆研究机构不约而同的开始进行轨道车辆参数试验台的设计研发，有助于科研人员方便的测定轨道车辆的参数，并分析其性能，本文将要讨论的是基于Algor的转向架参数测试台加载平台的仿真分析研究。

本论文简单介绍了高速轨道车辆参数测试台的国内外研究现状，再进一步介绍轨道车辆参数试验台加载平台的结构和其工作原理。

本文采用有限元分析方法，研究高速轨道车辆的参数测试台加载平台的强度，利用Algor仿真软件对参数测试台加载平台进行线性静力学有限元分析，找到静态作用下的最大应力、最大位移，最大应变。

关键字：

性能；参数试验台；加载平台；强度；

Abstract

Thecurrentworldofrapideconomicdevelopment,people'slivingstandardsimprove,tomeetthephysicalrequirementsofthepremise,morepeoplechoosetotraveltoeasethepressureofthemoment,especiallyinChina,alargepopulation,resource-richcountries,theimportanceofrailtransportis,suchasasinglelargetransportcapacity,safe,fast,saveenergyandprotecttheenvironment.Sowecanseethatinthefuturethetransportsector,thedevelopmentofrailtransportisaninevitabletrend,especiallyinsomelargecities,thedevelopmentofurbanrailtransitisaneffectivewaytosolvetrafficcongestion.Ourcountrysince1997,theparameters,inthemechanicaldesignandmanufacturingprocess,parametersextremelyimportantroleinthedesignanddevelopmentofrailvehiclesarenoexception.Forthecurrentsituation,manyrailvehicleresearchinstitutesatspontaneouslyparametertestbenchrailvehicledesignanddevelopment,tooftheparametersoftherailvehicleresearchstaff,andanalyzeitsperformance,willbediscussedinthisarticleisbasedonAlgorsimulationanalysisofparametrictestbenchbogieloadplatform.

Thispaperintroducestheresearchstatusofparametersandfurtherintroducetheparametertestbedrailvehicleloadplatformstructureandthispaper,thefiniteelementanalysismethodtostudythestrengthparametertestsoftwareforparametrictestbedplatformforlinearstaticsloadfiniteelementanalysis,tofindthemaximumstressunderstaticeffect,themaximumdisplacement,maximumstrain.

Keywords:

Performance,Parametertestbench,Loadingplatform,Strength;

第1章绪论4

1.1轨道车辆参数测试台的国内外研究现状4

1.1.1国外轨道车辆参数测试台的研究现状4

1.1.2国内轨道车辆参数测试台的研究现状5

1.2轨道车辆参数测试台研究的目的和意义7

1.3本论文的研究内容8

第2章六自由度加载平台的结构及工作原理9

2.1六自由度加载平台的结构9

2.2六自由度加载平台工作原理9

2.3本章小结9

第3章Algor有限元仿真软件的介绍及使用步骤10

3.1Algor简介10

3.2Algor线性静力学仿真分析步骤10

3.3本章小结11

第4章基于Algor的加载平台强度仿真分析12

4.1实心平板加载平台线性静力学分析12

4.1.1对实心加载平台实施垂向加载12

4.1.2对实心加载平台实施纵向加载26

4.1.3对实心加载平台实施横向加载31

4.1.4对实心加载平台同时实施垂向和纵向加载36

4.2六管焊接加载平台线性静力学分析40

4.2.1对六管焊接加载平台实施垂向加载40

4.2.2对六管焊接加载平台实施纵向加载52

4.2.3对六管焊接加载平台实施横向加载57

4.2.4对六管焊接平台同时施加垂向力和纵向力62

4.3井字形肋板加载平台线性静力学分析66

4.3.1对井字形肋板加载平台实施垂向加载66

4.3.2对井字形肋板加载平台实施纵向加载78

4.3.3对井字形肋板加载平台实施横向加载83

4.3.4对井字形肋板加载平台同时施加垂向力和纵向力88

4.4本章小节92

第5章结论93

参考文献94

致谢95

第1章绪论

1.1轨道车辆参数测试台的国内外研究现状

近些年来，由于轨道车辆的快速发展，尤其是高速轨道车辆的突飞猛进式前行，为了适应这一变化，众多的国内外研究机构和轨道车辆生产商投入到轨道车辆测试平台的研制当中，在这样一个百花齐放的年代，不同机构研制出的测试台对于参数的测试和所能实现功能的多少也是不尽相同的。

1.1.1国外轨道车辆参数测试台的研究现状

国外轨道交通的发展是比较早的，因此他们对于轨道车辆参数测试平台的研究也一直走在世界前列。

从1960年开始，西方的一些发达国家以及我们的近邻日本开始对转向架参数测试方法和实验设备的开发进行研究并取得了一定基础性成果，如法国威特里（Vitry）震动频率测试台、美国普韦布洛（Puebfo）疲劳强度测试台、英国道比（Derby）的悬挂系统震动分析台、日本铁道技术研究所的滚动测试台等[1]。

从上世纪八十年代开始，以美国为首的一些发达国家的研究机构以及轨道车辆生产企业对轨道车辆转向架性能参数的测试进行了一定的研究特别是针对转向架性能参数的测试方法和手段提出了切实可行的技术方案，一些专门应用于转向架特性参数测试的试验台应运而生。

近些年来，轨道交通高速发展，很多大型的研究机构及生产企业也加大对轨道车辆的资金投入，使得转向架技术也得到了迅猛发展[2]。

1972年，德国投入了5亿马克研制了世界上首台滚动振动试验台和动力学仿真软件MEDYNA，此举就是为了保持其在铁路领域的领先地位。

该试验台可对最高实验速度500kmMechanical2014（ALGOR现以更名为此名称），主要应用其中的线性静力学分析。

3.2Algor线性静力学仿真分析步骤

1.导入分析模型

双击打开桌面上的AutodeskSimulationMechanical2014程序，在弹出的对话框中点击“打开”命令，选择要打开的模型，此处要注意，文件名一定是英文或者数字，否则仿真将无法正常进行。

分析类型选择“线性静力”。

2.在FEAEditor中设置分析数据

在这部分中将设置单元类型、材料、网格划分、外载荷、边界条件等线性静力分析的参数。

（1）设置单元类型和材料属性

单元类型的选取一定要符合模型的结构特征，这样才能保证网格划分准确。

一般情况下，系统默认的单元类型为实体。

材料特征的选择根据实际情况而定，如果模型是装配体，不同零件的材料也有可能是不同的。

（2）网格划分

网格划分在整个有限元分析过程中是非常重要的一步，这一步的成功与否直接影响到最终的结果，网格划分时可对网格进行粗细调整，网格越密得到的结果越精确，当然，划分时也最好根据实际情况而定。

（3）施加外载荷

根据实际要求完成对模型的外载荷施加，力的位置要选择得当，这样得到的结果才能更接近实际情况。

（4）施加边界条件

根据模型的实际运动情况添加边界条件。

3.有限元模型检查及分析处理

点击“检查模型”命令，系统对几何模型及有限元模型进行检查，如果模型没有问题，也完全可以跳过这一步，直接进行有限元分析，点击“运行模拟”命令，程序检查几何模型及有限元模型并开始求解。

最终得到位移结果图、应变结果图、应力结果图，通过观察分析总结实验结果

3.3本章小结

这一章是分为两部分来论述的，第一部分通过对Algor的简单介绍，读者基本了解了该软件的使用范围及其它的使用特点。

第二部分大致介绍了Algor软件进行线性静力分析的使用步骤以及在每一步当中应注意的细节问题，为后文的仿真分析做了一定铺垫。

第4章基于Algor的加载平台强度仿真分析

4.1实心平板加载平台线性静力学分析

4.1.1对实心加载平台实施垂向加载

1.导入分析模型

（1）在桌面上找到AutodeskSimulationMechanical2014应用程序，用鼠标双击打开此程序或在图标上点击鼠标右键点击打开，系统自动弹出一个对话框，如图4.10所示

图4.10操作程序对话框

（2）单击“打开”，在“文件类型”选项中选择solidworks文件，接着在对话框中选择准备要分析的零件模型part1（此时一定要注意，此仿真软件虽然是中文版本，但是保存文件的文件夹及文件名必须是英文或者数字，否则在后续的仿真过程中会出现错误，导致仿真不出结果），如图4.11所示

图4.11文件打开对话框

（3）确定要打开的零件模型，点击“打开”。

如果模型较复杂，导入的过程会比较长。

（4）弹出一个对话框，选择“线性静力分析”选项。

如图4.12所示

图4.12选择分析类型

（5）单击“确定”按钮，实心加载平台如下图4.13所示

图4.13实心加载平台的有限元分析模型

下图3.14是实心加载平台的solidworks剖面模型

图4.14实心加载平台剖面图

2.设置单元类型和材料属性

一般在软件默认情况下，实体模型都被划分为实体单元，所以，我们要重新设置单元类型和材料属性，步骤如下:

（1）在左边的树形视图区中，鼠标点击单元类型，单击右键，弹出单元类型选项，选择part1的单元类型为块体。

如图4.15所示

图4.15单元类型的选取

（2）在左边的树形视图区中，鼠标右键单击部件part1的“材料”选项，修改材料，单击“编辑材料”命令，弹出窗口。

（3）在窗口左侧下拉菜单中点击“Steel”选项，再点击AISI，选择“Steel（AISI1015）Annealed”选项，如图4.16所示

图4.16材料的选取

如果有必要更改材料属性的话，可以点击上图中的“编辑属性”选项，修改如材料的质量密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。

在此，我们默认这些参数值，不做修改。

（5）点击“确定”，完成材料的选择。

3.网格划分

在建模时，网格划分是一个非常重要的一个环节，计算结果的准确性和计算精度与网格划分的好坏密切相关，甚至会因为网格划分不合格导致计算出错。

（1）在界面的上部点击“网格”选项，用鼠标单击“三维网格设置”选项，弹出一个对话窗口。

如图4.17

（1）所示

（1）

（2）

图4.17模型网格设置

（2）单击“确定”按钮，查看网格划分的结果，可以看出，按默认设置所得到的网格还是有一定的粗糙，现在进一步对有限元模型细分网格，从而获得关键

区域更多的单元。

（3）在上一步所弹出的对话框中设置网格大小，点击鼠标左键，将游标向刻度线右端拖动，到50%时停止拖动，如上图4.17（3）所示。

（4）在模型网格设置中，网格类型选择实体（S），系统默认选项，不必做修改，点击网格类型下端的“选项”按钮，弹出如图4.17（4）所示的对话框

（3）（4）

图4.17模型网格设置

（5）在上图所弹出的对话框中，选中“实体”选项，在“通用”选项中选择“块体和四面体”，在“四面体”选项中的目标边长基于绝对尺寸，设定目标边长为30mm（网格划分尺寸应不大于平板的壁厚值），过度比率设定为1.2，质量为100，如上图4.17（4）所示。

（6）单击“确定”按钮。

（7）在界面的上部点击“生成三维网格”选项，将会弹出“网格化进度”窗口，如下图4.18所示。

图4.18网格化进度

（8）网格化完成后，将会弹出一个对话框，选择“是”，则会出现网格划分结果，如下图4.19

（1）,4.19

（2）所示

图4.19

（1）查看网格划分结果

图4.19

（2）网格划分结果

（9）下图4.20即为网格化成功后的显示结果。

图4.20网格化成功的图像

4.对加载平台施加垂向力

（1）在界面上部用鼠标点击“选择”，选择“表面”图标选项，为了便于观察和选择，点击“视图”工具栏，在“方向”选项中选择俯视图，如图4.21

（1）所示。

图4.21

（1）模型的俯视图

（2）用鼠标选择上平台表面任意一个小圆圈（为了方便施加力，在建模时画了7个小圆柱，相当于7个作动器作用力的位置），如果被选中的圆变成紫红色高亮显示，则表明选择成功，再按住Ctcl键，继续选择其余三个圆，四个圆选中后的图像如4.21

（2）所示。

图4.21

（2）选取表面

（3）在选择好的图像上单击鼠标右键，将会有菜单弹出，光标移动到“添加”，又弹出一个子菜单，选择“表面力”，这时弹出创建表面力的窗口，在数值文本框中输入-50000（垂向压力），鼠标点击Z方向，如图4.21（3）所示，需要说明的是，所输入的-50000代表的是一个表面施加的力，选择了四个表面，所以施加的表面力一共是4*50000N。

图4.21（3）创建四个表面力窗口（垂向加载）

（4）点击“确定”按钮，确认外载荷，若在选定的四个表面上出现向下的蓝色箭头，表面载荷施加完毕。

如图4.21（4）所示

图4.21（4）施加完表面力（垂向加载）

5.施加边界条件

给实心加载平台底面施加边界条件。

步骤如下：

（1）点击“视图”工具栏当中的“包括（所有对象）”图标选项，，界面显示整个图像，便于观察整个模型的表面以及平台底部两个圆柱的底面。

（2）点击“视图”工具栏当中的“表面”图标，再点击“动态观察”选项，此时光标会变成旋转符号，移动鼠标便可以清楚的看到加载平台各个位置，将模型旋转到一个合适的位置，可以看到两个圆柱的底面，按Esc键退出旋转。

（3）鼠标点击其中一个圆柱的底面，按住Ctrl键继续选取另一个圆柱的底面，选中的底面将会又蓝色变成紫红色。

如图4.22

（1）所示。

图4.22

（1）底面选中的显示（垂向加载）

（4）在选中的图像上点击鼠标右键，将弹出一个菜单，光标移动到“添加”选项，又将弹出一个子菜单，选择“表面常规约束”。

此时将会弹出一个窗口，如图4.22

（2）所示。

在转向架测试台参数测试的过程中，要求加载平台既不能平动也不能转动，因此在添加约束时，应该限制其所有的自由度。

鼠标单击“固定”按钮，将两个圆柱的底面全部固定约束住，单击“确定”按钮，约束完毕，如果两个圆柱的底面颜色由红丝变为绿色，并且是以三角形形状显示，则表明约束成功，如图4.22（3）所示。

图4.22

（2）表面常规约对象设置

图4.22（3）模型约束成功后的显示（垂向加载）

6.设置分析参数

上文中提到所选择的分析类型为线性静力分析，一般情况下系统默认线性静力分析选项，故此处不再另行设置。

7.有限元模型检查及分析处理

在定义了模型的单元类型、材料属性和分析参数后，ALGOR软件将对模型进行检查，以决定所建立的几何模型和有限元模型是否正确。

（1）在界面上部点击“分析”选项，选择“检查模型”命令，点击后，弹出如下图4.23

（1）所示的窗口，系统开始对几何模型和有限元模型进行检查。

图4.23

（1）检查分析进度（垂向加载）

（2）检查结束时，模型自动被装载到Superviiew后处理中，进一步检查模型的节点、单元信息、载荷和边界条件。

当检查结束后，单击树形视图区下面的FEAEditor标签，返回到有限元模型中，选择“分析”工具栏中的“运行模拟”命令，将弹出“Structural-线性材料模型静态应力窗口”，如图4.23

（2）,4.23（3）所示，程序将检查模型的几何数据和有限元数据并自动对模型分析求解（根据网格疏密程度分析时间会有长短差别）。

（2）（3）

图4.23线性静力分析过程（垂向加载）

（3）查看位移（数值）结果

节点的位移值是有限元分析所得到的直接值，单元和节点的应力、应变值都是由位移值计算导出来的。

因而，为了得到较精确的应力计算结果，首要的任务是检查位移值，在左侧树形视图区中鼠标双击“数值”命令，此时图像显示位移要求。

结果如图4.23（4）所示

图4.23（4）数值结果图（垂向加载）

（4）查看应变结果

在左侧属性视图区中鼠标单击“应变”命令，则显示应变结果图，如图4.23（5）所示，由图可知，实心加载平台应变的最大值为3.51701e-005mmmm，最小值为4.79659e-008mmmm。

图4.23（5）应变结果图（垂向加载）

（5）查看应力结果

在左侧树形视图区中鼠标双击“应力”命令，则图像显示应力结果图，如图4.23（6）所示，由图可知，实心加载平台的最大应力为5.6265N（mm*2），最小的

图4.23（6）应力结果图（垂向加载）

4.1.2对实心加载平台实施纵向加载

为了使这一阶段的仿真方便、快速进行，可以对上一节的仿真过程稍作改动。

单元类型保持不变，依旧为“块体”，材料同样选择“Steel（AISI1015）Annealed”。

在左侧树形视图中点击“载荷和约束组”命令，鼠标选中表面力，然后单击右键，选择“删除”命令。

这一阶段要求加载平台既不能平动也不能转动，因此同样对两个圆柱的底面施加约束，并全部固定，所以保留“表面常规约束”设置，网格划分依然沿用前一阶段的设置，保持不变。

如下图4.24

（1）所示。

图4.24

（1）未施加表面力的模型

1.对加载平台施加纵向力

（1）在工具栏中点击“选择”选项，选中“表面”命令，加载平台左右两侧各有一个小圆柱，鼠标点击其中一个圆柱表面，按住Ctrl键选择另外一个，如果被选中的表面紫红色高亮显示，表示选中成功，如图4.24

（2）所示。

图4.24

（2）选取表面

（2）表面选定，点击鼠标右键，弹出一个菜单，光标移动到“添加”选项，在弹出的子菜单中选择“表面力”命令，这时创建表面力对象窗口弹出。

如图4.25

（1）所示。

（3）在数值文本框中输入-50000，方向选择Y，表明在Y方向上施加压力，需要说明的一点，由于选择了两个表面，所示施加的表面力的大小一共是2*50000N。

图4.25

（1）创建表面力对象窗口（纵向加载）

（4）点击“确定”按钮，若在选中的表面上出现蓝色符号，则表明载荷已经加载在表面上。

如图4.25

（2）所示

图4.25

（2）施加完表面力（纵向加载）

2.设置分析参数

在4.1.1这一节中，选择的分析类型为线性静力分析，故在此就不再设定。

3.检查有限元模型及分析处理

（1）检查分析有限元模型

在工具栏中选择“分析”选项，点击“检查模型”命令，将会弹出模型验证窗口，系统开始对几何模型和有限元模型进行检查。

如图4.26

（1）所示

图4.26

（1）检查分析的进度（纵向加载）

（2）检查结束时，模型自动被装载到Superviiew后处理中，进一步检查模型的节点、单元信息、载荷和边界条件。

当检查结束后，单击树形视图区下面的FEAEditor标签，返回到有限元模型中，选择“分析”工具栏中的“运行模拟”命令，将弹出“Structural-线性材料模型静态应力”窗口，如图4.26

（2）,4.26（3）所示，程序将检查模型的几何数据和有限元数据并自动对模型分析求解（根据网格疏密程度分析时间会有长短差别）。

（2）（3）

图4.26线性静力分析过程（纵向加载）

（3）查看位移（数值）结果

节点的位移值是有限元分析直接得到的值，单元和节点的应力、应变值都是由位移值计算导出来的。

因此，为了得到较准确的应力结果，首要任务是检查位移值（数值），在左侧树形视图区中，鼠标双击“数值”命令，则显示位移的结为0mm，完全符合加载平台的变形要求。

图4.26（4）位移结果图（纵向加载）

（4）查看应变结果

在左侧的树形视图区中，鼠标双击“应变”命令，相应的显示应变结果图，如图4.26（5）所示，由图像可知，应变的最大值为3.28854e-005mmmm，最小值为9.35537e-009mmmm。

图4.26（5）应变结果图（纵向加载）

（5）查看应力结果

在左侧的树形视图区中，鼠标双击“应力”命令，则显示应力结果图，如图4.26（6）所示，由分析结果可知，应力的最大值为5.261N（mm*2）,最小值为

图4.26（6）应力结果图（纵向加载）

4.1.3对实心加载平台实施横向加载

为了使这一阶段的有限元分析方便、快速进行，可以对上一节的仿真过程稍作改动。

单元类型保持不变，依旧为“块体”，材料同样选择“Steel（AISI1