机车复轨器的有限元分析及轻量化改进

摘要

复轨器是救援脱轨机车车辆的专用必备装置。它能引导脱轨机车车辆的轮对滚动到钢轨项部，复位到钢轨上，达到救援排障的目的。随着铁路运输速度的提高，新时期的铁路事故救援工作对复轨器提出了更高要求，尤其复轨器的轻量化显得越来越重要，减少复轨器自重，不仅可以减少原材料的消耗，最重要的是可以提高脱轨事故救援的效率，大大缩短行车中断时间，降低事故损失。但复轨器的轻量化，必须保证复轨器的强度、刚度能满足事故救援的要求。本文以人字型复轨器为研究对象，首先针对复轨器结构比较复杂的特点，在Pro/E软件平台上建立复轨器的三维实体模型，同时对其结构进行合理的简化，然后利用有限元分析软件ANSYS，建立复轨器的有限元力学模型并对进行有限元数值模拟计算，从而全面揭示复轨器结构的强度分布规律，并对三种工况下的结构应力、变形的分布进行了分析。计算结果表明，该复轨器能满足救援工作的要求，但设计偏于保守，强度有很大的裕量。依据强度与变形结果，提出了两种复轨器轻量化的改进方案。本课题的研究内容，概括了有限元理论与计算、ANSYS软件应用、实体键模等，并且对许多关键性问题，如有限元模型的建立与简化、软件后处理的数据分析。因此本文对以后此类型复轨器的轻量化改进提供了重要的理论参考和工程实例。关键词：机车复轨器 有限元法 实体建模 ANSYS 轻量化

目录

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英文文摘

声明

1 绪论

1.1复轨器的分类与特点

1.1.1按外形分类

1.1.2根据用途分类

1.1.3根据材质分类

1.2人字型复轨器的结构与安装方法

1.2.1人字型复轨器的结构

1.2.2人字型复轨器的安装方法

1.3课题的研究意义、国内外现状

1.3.1课题意义

1.3.2国内外现状

1.3.3研究目的

1.4课题研究的基本内容

2 复轨器的分析理论基础

2.1概述

2.2有限单元法的基本方法

2.2.1弹性连续体的离散化

2.2.2选择单元位移模式

2.2.3单元力学特性分析

2.2.4整体分析，组集结构总体刚度矩阵

2.2.5约束处理并求解总刚度方程

2.2.6计算单元应力并整理计算结果

2.3空间三维实体有限元法

2.3.1引言

2.3.2离散化模型

2.3.3单元的位移模式

2.3.4应变、应力矩阵

2.3.5刚度矩阵[K]

2.4复轨器分析的一般过程

2.4.1前处理

2.4.2求解与后处理

2.5有限元法的应用软件

2.5.1 ANSYS软件简介

2.5.2 ANSYS软件的基本功能

2.6本章小结

3 复轨器的三维实体建模

3.1基于特征的参数化建模技术

3.2三维实体建模工具

3.2.1 Pro/E软件功能简介

3.2.2 Pro/E软件的主要特点

3.3复轨器实体建模

3.3.1模型的简化

3.3.2构建复轨器模型

3.3.3 Pro/E与ANSYS的连接

3.4本章小结

4 复轨器的有限元计算与分析

4.1概述

4.2建立有限元模型

4.2.1单元特性

4.2.2划分网格

4.3有限元边界条件的施加

4.3.1约束的确定

4.3.2载荷的确定

4.4复轨器的强度评价指标

4.5有限元计算结果与分析

4.5.1计算结果

4.5.2结果分析

4.6本章小结

5 复轨器的轻量化改进

5.1采用轻质高强度材料

5.1.1概述

5.1.2铸造铝合金的性能与特点

5.1.3材料选择

5.2复轨器结构的改进与分析

5.2.1结构改进

5.2.2结构改进后的有限元重分析

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文