高速列车受电弓的动力学建模分析研究开题报告.doc

1、毕业设计开题报告第9页2016-2017学年第一学期毕业设计开题报告题 目高速列车受电弓的动力学建模分析研究学号姓名成 绩指导教师机电学院2017年1月毕业设计开题报告说明标题、正文等要求：标题要求：黑体、小二号字，如：“微纳米技术”正文要求：宋体、小四号字、段落间距20磅。用纸要求：A4纸，单面打印（说明不打印)。页面设置：上下边距：2.54厘米，左右边距：3.17厘 米。毕业设计开题报告的内容：*课题研宄的意义 *课题研宄的背景综述 *课题研宄的目标*课题研宄釆用的方法，或技术路线。*已经做过的准备工作，或研宄基础。*研宄计划及时间表。上交时间：答辩当天上交答辩秘书，逾期不交者，该课程成绩

2、以零 分记。目 录1选题依据与研究意义42本课题的研究背景42.1高速列车受电弓的发展42.2高速列车受电弓力学特性的研宄现状53课题研究目标与内容64采取的研究方法及可行性分析74.1有限元方法74.2高速列车受电弓有限元模型的建立74.3受电弓的静力学和动力学特性数值仿真计算求解74.4课题研究的技术路线75前期研究工作基础及条件保障85.1与本课题研宄有关的研宄积累85.2工作条件86研究进度计划、时间表和预期研究结果9参考文献9报告正文1选题依据与研究意义随着“一带一路”国家级战略的推进，中国高铁迎来了前所未有的发展机遇。 与公路、水运以及航空等交通方式相比，高速铁路2具有速度快、效率

3、高、运量 大、能耗低等多重优势，因此其将在未来交通运输体系中发挥越来越重要的骨干 作用，高速电动车组如图1所示。作为高速铁路系统中核心装备的高速列车，针 对其运动稳定性、运行平稳性和安全性的动力学性能的研究一直是世界高速列车 领域重要的研究课题。中国高速列车相关问题研究的起步较晚，但与此相对照的 是中国高速列车运营里程己近2万公里（截止2016年底），约占全球高铁运营里 程的绝大部分，依据国家高速铁路的大区域、长时间运行的国情，加大对高速铁 路列车发展的相关研究力度具有非常重要的现实意义。图1中国中车股份有限公司设计生产的高速电动车组高速铁路列车利用受电弓从接触网获取电能，通过轮轨关系实现列车

4、的支撑 与导向，在电机的驱动下通过轮轨的黏着获得牵引力，由此克服空气阻力以实现 高速平稳运行。随着列车运行速度的提高，高速列车的气动阻力、噪声等急剧增 大，总体来看，轮轨关系、弓网关系以及流固耦合关系是高速列车的三大力学研 究问题2。轮轨关系是由于高速列车牵引与制动都依赖着轮轨黏着而直接带来的 一系列首要研究问题；接触网和受电弓是相互依存又相互制约的，良好的弓网关 系是保证高速列车安全、高速、稳定运行的前提；流固耦合关系是高速列车在稠 密大气层中运行时由于面临独特的气动特性而产生的各种复杂空气动力学性能 问题。目前的高速铁路大多采用电力牵引，高速列车必须在高速运动的条件下通过 受电弓从接触网获

5、取电能，处于能量传输链条最末端的弓网关系的供电持续性和 可靠性将会直接影响到高速列车运行和电气驱动系统的性能。其中，高速受电弓 是弓网系统的重要组成部分，其工作的可靠性直接影响到列车的牵引供电性能和 整车的安全运行质量3。因此，针对高速电力机车受电弓动力学特性进行的数值 仿真研究对于优化受电弓的设计、改善其性能具有很重要的意义。2本课题的研究背景2.1髙速列车受电弓的发展高速列车的弓网系统由受电弓和接触网组成。其中，受电弓是电力机车从接 触网上获取电能的装置4，接触网是由接触线、承力索、吊弦、支柱、支撑杆以 及限位器等部件组成5。受电弓的结构具有多种形式，且分类方法也有不同形式。 按照臂杆形式

6、的不同，高速铁路列车受电弓分为棱型受电弓、T型受电弓和单臂 受电弓。按照升弓方式的不同可以分为弹簧升弓和气囊升弓，我国普遍采用气囊 升弓方式受电弓。棱型受电弓的稳定性和集电性较好，但其结构复杂，空气动力学性能较差， 棱型受电弓如图2所示。图2棱型受电弓图3T型受电弓T型受电弓结构简单，空气动力学性能较好，但工作高度低，因此使用范围 受到限制，主要应用在接触网网高较低的线路，其结构如图3所示。单臂受电弓结构简单，尺寸小，重量轻，易于调整，具有高速动态跟随性及 良好的受流特性被现代电力机车广泛采用6。该种受电弓由弓头、框架、底架以 及传动机构组成。其中，框架部分由摆杆、支撑杆、上下臂杆和平衡杆等组

7、成7。 底架支撑框架，并通过绝缘子固定在车顶上，框架通过升弓弹簧支撑弓头。整体 来看，框架为2个四连杆机构，传动机构作用于框架的下臂杆以实现升降弓操作。 高速受电弓的结构示意图如图4所示。1.阻尼器 Damper 2.底架 Base frame 3.升弓装置 Raising mechanism 4.下臂杆 Lower arm 5.平衡杆 Collector head guidance 6.平衡臂 Balance arm 7.弓头 Collector head 8.上框架 Upper arm 9拉杆 Guide rod 10.扇形板 Rope guide图4单臂受电弓2.2髙速列车受电弓力学特性

8、的研究现状高速受电弓是高速电力机车的关键设备，作为弓网系统的重要组成部分，相 关研究在国内外都得到了重要的发展7。法国是最早发展高速铁路的欧洲国家之 一，其研制的TGV 2PSE型列车己在30年前投入使用，近期法国研制的TGV V150型高速列车试验时速达到574.8km/h。德国ICE动车组装配DSA-350型单臂受电弓且在不断优化其受电弓结构。日本是高速列车技术较发达的国家之一， 搭载其相应受电弓大力发展了新干线系列高速铁路。025.29750.59575.892101.1912.64937,94663,24488.54】113,838图5受电弓整体应力云图图6受电弓滑板模态振型关于高速列

9、车受电弓结构力学特性的研究：2006年，张久江等10利用UG 软件建立了地铁机车受电弓的三维模型，基于ADAMS软件平台建立了受电弓 系统的虚拟样机模型，并分析得到了受电弓模型的动态仿真分析结果；在建立了 弓网虚拟样机模型基础上，仿真计算分析得到了弓头弹簧刚度和受电弓运行速度 的关系方程以指导受电弓的弓头弹簧设计。2009年，马果垒等8充分考虑受电弓 各个杆件铰接关系，建立了受电弓三维模型，基于ANSYS软件平台对受电弓进 行了横向刚度分析、整体静强度分析和动力特性分析，利用SIMPACK建立考虑 受电弓上框架弹性弓网耦合模型并对受电弓动力学参数进行分析，其整体应力仿 真分析云图如图5所示。2

10、015年，张雪等9利用CATIA软件建立了受电弓实体 模型，基于ICEM和Fluent软件平台对其机械结构进行动力学仿真分析，基于 ANSYS软件平台分析了其在高速运行时的结构强度。2015年，周森等11建立了 某型地铁车辆受电弓的有限元模型，并对其进行了结构力学特性分析和模态分 析，为受电弓的优化设计提供了一定的参考依据。关于高速列车受电弓与接触网耦合作用下的动力学分析研究：2006年， Zhang等1通过建模计算的方法研究了弓网模型的动力学行为，提出了减小动态 应力的途径。2009年，周宁等12针对简单链型悬挂接触网与电力机车DSA250 型受电弓建立了考虑弹性变形的受电弓模型，并对弓网的

11、动力学性能进行了仿真 分析，对比了其与采用质量块受电弓模型的计算结果，得到的受电弓滑板模态振 型如图6所示。2012年，姜旭等7利用SolidWorks软件建立了双向运行的高速 受电弓三维实体模型及有限元模型，基于Ansys Workbench软件平台对受电弓进 行了整体强度、横向刚度、固有频率以及振型仿真分析。3课题研究目标与内容(1) 针对己有国产受电弓结构作一定的简化处理，利用建模软件建立高速 列车受电弓的三维仿真模型；(2) 基于ANSYS软件平台，建立高速列车受电弓有限元模型，对其进行 静力学和动力学特性数值仿真计算分析；(3) 针对高速列车受电弓力学特性结果，分析得到改进受电弓力学

12、性能的 若干参数，并提出优化设计方案。4采取的研究方法及可行性分析4.1有限元方法有限元法(Finite Element Method, FEM)是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学13，是求解 复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技的重要基础性原 理之一。有限元分析的基本思想是将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个 且按照一定方式相互连接在一起的单元组合体，对单元进行力学分析进而得到整 体力学分析。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象，其由一些简单形状的单 元组成，单元之间通过节点连接并承受一定载荷。4.2髙速列车

13、受电弓有限元模型的建立对高速列车受电弓的复杂结构进行适当简化处理，根据受电弓各部件的约束 关系，装配受电弓各部件，得到受电弓的整体三维结构模型。将三维模型转换成 通用格式导入到ANSYS软件进行网格划分得到高速列车受电弓有限元模型。4.3受电弓的静力学和动力学特性数值仿真计算求解根据高速列车受电弓实际工况对其进行边界条件和外载荷加载，基于 ANSYS求解器仿真计算其静力学和动力学特性。4.4课题研宄的技术路线图7课题研宄的技术路线课题研究的总体内容和计划安排，绘制课题研究的技术路线如图7所示。5前期研究工作基础及条件保障5.1与本课题研究有关的研究积累从本科一年级时起，在叶红玲副教授的指导下己

14、进入研究生课题组学习并协 助课题组进行部分实验和课题研究。在科研的过程中，积极参与了 “波纹管疲劳 寿命分析”及“连续体结构静力拓扑优化”的课题研究，并以第一作者发表了 3 篇学术论文：基于99行程序的板壳结构静力拓扑优化分析、关于U型波纹 管疲劳寿命的影响因素分析和基于Ansys Workbench软件的不同壁厚波纹管 疲劳分析，分别如图8、9和10所示。己经掌握了科学研究的基本过程和方法， 初步具备了独立从事科研活动的能力。图8发表论文基于99行程序的板壳结构静力拓扑优化分析中的算例分析图9发表论文关于U型波纹管疲劳寿命的影响因素分析中的算例分析图10发表论文基于Ansys Workben

15、ch软件的不同壁厚波纹管疲劳分析中的算例分析另外，现己较为深入地进行了关于高速列车受电弓的动力学建模分析研究的 文献综述，为本课题研究打下了一定的基础。5.2工作条件北京工业大学工程数值模拟中心具有本项目开展所需的良好设备和条件，具 有DELL NT工作站八台，高性能计算机四十台，拥有有限元分析软件PATRAN &NASTRAN，Abaqus, ANSYS等，可以保证课题研究顺利进行。6研究进度计划、时间表和预期研究结果2016年11月2016年12月：查阅相关文献，熟悉有限元软件，撰写开 题报告；2017年1月2017年4月：建立高速列车受电弓三维模型和有限元模型， 进行动力学特性数值仿真分

16、析；2017年5月2017年6月：分析改进受电弓力学性能的若干参数，提出 优化设计方案；撰写毕业论文，进行毕业答辩。参考文献1 Weihua Zhang., Yi Liu. Guiming Mei. Evaluation of the coupled dynamical response of a pantograph-catenary system: contact and stresses J. Vehicle System Dynamics, 2006, 44(8): 645-6582 杨国伟，魏宇杰，赵桂林等.高速列车的关键力学问题J.力学进展，2015, 45: 217-4593 吴

17、广宁，周悦，雷栋，魏文斌，吴杰，高国强.弓网电接触研宄进展J.高压电技术，2016, 11(42): 3495-35064 邓明丽，吴广宁，张雪原，何常红，叶强.电力机车受电弓发展综述J.电气化轨道,2008,(1): 43-475 张卫华，沈志云.接触网动态研宄J.铁道学报,1991,12(13): 26-336 宋雷鸣.动车组供电牵引系统与设备.北京：北京交通大学出版社M, 20127 姜旭.高速列车受电弓的流固耦合动力学分析D.内蒙古科技大学,20128 马果垒，张卫华，梅桂明.高速受电弓整体结构特性分析J.机械强度,2010, 32(1): 158-1649 张雪.基于空气动力学的高速受电弓研宄D.西南交通大学,201510 张久江.受电弓系统优化设计和仿真开发D.山东科技大学,200611 周森.受电弓结构优化设计及其绝缘子破坏机理研宄D.东南大学,201512 周宁，张卫华.基于受电弓弹性体模型的弓网动力学分析J.铁道学报,2009, 31(6): 26-3213 陈锡栋，杨婕，赵晓栋，范细秋.有限元法的发展现状及应用J.中国制造业信息化,2010.6, 39(11):6-8