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CRH2-300型动车组拖车转向架
测力毕业论文
目 录
1 有限元方法简介
1.1有限元方法
1.1.1有限元软件ANSYS简介
1.2载荷识别方法
1.2.1载荷识别的定义与应用 1.2.2载荷识别方法概述
2 应力集中方法
2.1 有限元建模
2.1.1 模型的建立
2.2 计算结果及分析
3 转向架构架有限元分析
3.1 CRHZ一300型拖车转向架构架
3.1.1 侧梁组成 3.1.2 横梁组成
3.2 作用在转向架上的载荷系
4 测力构架方案设计
4.1 浮沉载荷系
4.1.1第一类设计方案评估 4.1.2第二类设计方案评估
4.2 侧滚载荷系
4.2.1第一类设计方案评估 4.2.2 第二类设计方案评估 4.2.3 第三类设计方案评估
5 结论与展望
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1 有限元方法简介
1.1有限元方法
有限元法【5，6]是求解数学物理问题的一种数值计算近似方法。有限元法是以变分原理为基础，将研究对象离散成有限有限多个单元体，通过分析得到一组代数方法，进而求得近似值。
其基本思想[7]是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于:组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联[“]。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。
显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，假设代表单元解的近似连续函数，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，对单元建立方程，将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。并应用边界条件、初值条件和负荷，从而求解结点的位移分量，然后得到其他重要的信息如主应力，位移等。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。
虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用。实际上。在所有连续介质问题中，几乎都可见到有限元法。到上个世纪70年代，在这个时期有限元方法也从变分学里找到了数学依据。离散数学、广义变分、收敛分析等数学内容也开始向有限元法中渗透，使有限元法如虎添翼。不仅在固体力学领域、而且在其他连续介质领域也发挥着重要作用，解决了越来越多的工程问题有限元法[5]。目前，世界上有90%的机械产品和装备都采用有限元方法进行分析，进而进行设计和优化，有限元分析已成为替代实物试验的虚拟试验，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。
1.1.1有限元软件ANSYS简介
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件[9]。在进行分析之前可用交互式图形来验证模型的几何尺寸、材料及边界条件;在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。ANSYS程序使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。模型数据通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果通过求解器写入数据库;后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理器写入数据库，即可为其它处
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理器所用。
1.2载荷识别方法
1.2.1载荷识别的定义与应用
结构振动问题可大致分为正问题和逆问题两大类。正问题是根据系统特性和激励确定振动系统的响应，主要应用有限元分析法，这是振动理论中传统的研究内容。与之相反的振动问题，既由系统的响应来反求系统的动态特性、动态激励及与之相关的一些问题称为振动逆问题[’“l。载荷的测定即为非常重要的一种逆问题。
载荷的测定方法有直接测定法和间接测定方法，前者通过使用某种传感器直接测出载荷信号或与之相关的参数，将其转化为电量，经过后续一系列处理即可得到载荷的大小。例如高压容器中的压力脉动可通过直接测量容器内压强脉动而得到。然而对于许多实际工程结构，由于结构本身的复杂性和所受环境的限制等原因，其所受的外载荷是难以直接测量的，有时甚至是不可能直接测量的，这就需要用到载荷识别的方法来确定外载荷。载荷识别(LoadIdentification)，顾名思义，就是根据已知的输出和系统特性，求解系统输入的过程，也称为载荷确定(ForceDetermination)。
载荷的确定在结构系统的力学计算、结构设计、故障诊断中十分重要，他为结构的动态计算、设计与分析、结构疲劳模拟实验、结构动力修改与优化提供可靠的依据，可为减小振动、提高结构的可靠性、安全性提供确切的环境条件。在有些情况下，如疲劳寿命分析及可靠性评定领域中，确定真实的外载荷是十分必要的，因此，随着我国现代化建设的飞速发展，对载荷识别开展研究的呼声日高〔川。载荷识别的研究开始于七十年代中期，最早出现在航空工业，随着飞机飞行性能要求的提高，在飞机设计中大量采用了复合材料，为了更好地掌握材料的受载状况，强烈要求了解飞机的飞行载荷，用于研究直升机飞行时螺旋桨主轴所受到的力，从而提出了载荷识别的课题。近年来，随着社会的发展，载荷识别已经在许多领域得到了广泛的应用，海洋平台波浪载荷的确定、桥梁的车辆载荷、建筑物受到的地震激励等、飞行器在飞行过程中产生的振动，还有核反应堆中的部件等在工作时也产生振动，这些激励都应该给与重视，对其要加以分析。但由于受工作环境的约束，应起这些振动的载荷通常无法真接测量或者测量比较困难，而他们的响应信号则往往是很容易测得。这就用到载荷识别的方法来进行载荷的确定。常规的载荷识别方法是将载荷假定为确定性的，用测量的响应数据来识别载荷[‘2，’3]。
1.2.2载荷识别方法概述
传统上，载荷的识别分为频域法和时域法两大类。前者根据频响函数及模态参数在频域中进行识别，后者直接在时域中进行。随着工程信号处理和识别方法的不断发展，其中的许多方法，如小波分析、分形、神经网络等，也逐渐成为载荷识别的方法。
在频域中识别载荷的研究比较早，主要利用激励和响应间频响函数的求逆实现，识别原理简单、直观，便于应用。但频域法主要是针对确定性的载荷进行的或者把随机载荷直接按确定性载荷来考虑。频域法包括两种基本方法:频响函数矩阵求逆法和模态坐标变化法。前者
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只需知道频响函数和响应谱矩阵，即可以对载荷进行识别。后者则必须知道系统的模态特性及模态参数，像系统的各阶振型，刁‘能识别载荷在频域中的特性，进一步确定载荷的时间历程。时域载荷识别，主要是利用阶跃力假设的积分方法来处理载荷识别问题。在时域内进行载荷识别工作起步较晚。1985年，H.ory，H.Glaser等人首先提出了离散系统的载荷识别方法。文献l’4]在文献【‘5】的基础上，采用刚度、质量凝聚的方法，给出了模态截断后修正的载荷识别计算模式。由于在实际工程应用中，人们采用较多的是离散系统，所以近几年来，大小被刊出的文章是关于假设微小时间内载荷为阶跃函数的基础上的求解振动微分方程的方法。时域载荷识别，由于识别过程的各种因素(如结构系统本身的非线性性、响应测量精度、测点的位置等)都对识别效果有很大影响，因而对载荷的识别较为复杂，识别技术尚不完善，对结构的边界条件和初值条件比较敏感，识别精度不甚理想，而且稳定性有待提高。但是，时域内求解载荷的时间历程，不需要经过傅立叶变换在时域和频域中转化，且所得的结果比较直观，在工程实际应用中得到了广泛的应用。
无论采用什么方法进行载荷识别都存在着精度的问题。首先，测点位置的选择对载荷识别的精度有极大的影响，用于载荷识别的测点应选择在应力信号较大、应力梯度较小的部位，并根据需要识别的载荷性质，分别将测点布置在与被识别载荷特点相关的部位。其次，振型的截断也会带来误差，在计算中，不可能把所有的振型都找全，忽略较高阶的振型，引起截断误差。在频域中，对泄漏造成的误差，一般通过加窗及平均的办法对谱密度进行平滑估计以减小泄漏误差的影响。在时域中，对模态矩阵中各阶振型的计算或测试误差，可采用最小二乘法减到最小。
但是，从目前的研究状况来看，虽然提出了许多不同的方法，但识别的效果均不够理想，识别结果都还没有用于工程实际，或结构的动态设计中，在实际工程应用中还没有起到应有的作用;各种识别方法基本上都是基于某一特定的工程实例进行的研究，因而这些方法有较大的局限性，限制条件也较为苛刻，对识别中碰到的许多实际问题，例如稳定性、域精度分析、病态问题、测点选择等，缺乏深入的研究，还没有形成系统的理论体系。
因此，载荷识别的工程应用，仍然与载荷识别方法和理论的研究一样，处于探索阶段，没有形成系统的理论体系和完整的应用技术，还不能满足工程实际的需要。由于载荷识别问题本身存在的不稳定性，再加上载荷识别问题比较突出的个性特征，这一问题的解决还需要较长时间的发展。就目前的识别方法和技术，对结构阻尼较大，受力数量较少，载荷作用形式较为简单，相应测试条件便利的结构，例如海洋平台的受力分析;铁路车辆转向架构架和主要吊、支座的载荷识别等，可以得到较好的识别结果，载荷识别技术也最先为这类结构的动态设计、试验载荷提供依据。
目前工程实践中常用的载荷识别方法是准静态法。由振动理论可知，当激励载荷频率在所分析构件的任何自然(固有)频率之下，可以忽略振动响应的影响，简单的认为任一时刻的应力状态可以通过线性叠加各个不同载荷的响应来模拟。定义一组静态载荷，任一时刻的应力状态为:
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