（载运工具运用工程专业论文）基于虚拟样机技术的受电弓接触网系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路高速化进程中，要求全面提高受电弓和接触网的性能。受电弓的运 动学性能、高速运行过程中的受流质量以及弓网的静强度和动强度都是亟待 解决的问题。 本文结合受电弓的开发过程，把虚拟样机的可视化、运动学和多体动力 学等技术运用到受电弓接触网系统的研究中，主要完成了以下几方面的内 容：第一，建立可视化的受电弓模型，对其进行强度分析和运动学分析；第 二，分析接触网的振动特性；第三，研究不同接触网的弓网耦合性能：第四， 验证接触网动应力研究方法和对不同接触网进行瞬态分析。 首先，建立受电弓的三维可视化模型的基础上，研究受电弓的上框架和 下臂杆的强度和模态特性，比较不同材料的上框架的强度特性。然后建立四 种常见的接触网( c h l 6 0 0 、c h l 6 0 一y 、r e 2 5 0 0 、r e 2 5 0 一y ) 的有限元模型，分 析其振动特性：在弓网动力学仿真中，接触网当作弹性体来计算，对接触网 进行子结构分析，生成接触网的弹性体。 其次，建立其从轨道、机车、受电弓到接触网三维可视化的非线性弓网 耦合模型，重点研究四种常见接触网下的弓网耦合系统的受流质量，比较四 种接触网的在不同速度下受流质量；同时研究轨道激励对弓网振动特性的影 响。 最后，应用宝鸡铁路电气化集团检测中心的试验来验证利用有限元方法 来研究接触网动应力的正确性。随后利用前述所得四种接触网的耦台力作用 于接触网的有限元模型中，研究四种接触网的动态抬升量和动位移特性。 关键词：虚拟样机受电弓接触网动应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t i nc o u r s eo fh i g h s p e e d r a i l w a y , p e r f o r m a n c eo fp a n t o g r a p ha n dc a t e n a r y d e m a n d si m p r o v e m e n ti na l lf a c e t s k i n e m a t i c p e r f o r m a n c e o fp a n t o g r a p h ， c u r r e n tc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c e ，s t a t i ca n dd y n a m i ci n t e n s i t yo f p a n t o g r a p ha n d c a t e n a r y a r eu r g e n tt ob ei m p r o v e d a c c o r d i n g t ot h e d e s i g np r o c e d u r e o f p a n t o g r a p h ，v i r t u a lp r o t o t y p i n g ， i n c l u d i n gt h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i v em o d e l ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c se t c ，i s a p p l i e dt ot h es t u d yo f t h es y s t e mo f p a n t o g r a p h c a t e n a r y s o m em a i nt o p i c sa r e d i s c u s s e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y , p e r f o r m a n c e s o fi n t e n s i t ya n dk i n e m a t i c sa r e s t u d i e db a s e do nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i v em o d e lo f p a n t o g r a p h s e c o n d l y ，t o m a k eav i b r a t i o n a n a l y s i s o fc a t e n a r y t h i r d l y , t h e c o u p l i n g d y n a m i cp r o p e r t yo ft h ed i f f e r e n ts y s t e mo fp a n t o g r a p h c a t e n a r y ，t h ev i b r a t i n g r e s p o n s e si nc o n s i d e r a t i o no f t h et r a c ke x c i t a t i o na n dt h ed y n a m i cs t r e s so ft h e s i m p i ec a t e n a r ya r ea n a l y z e d a b o v ea l l ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i v em o d e lo fp a n t o g r a p hf l a m e s t r u c t u r ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，m o d a la n di n t e n s i t yp r o p e r t yo fp a n t o g r a p h f l a m es t r u c t u r ei ss t u d i e d ；m o d a la n di n t e n s i t yp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l u p p e r f l a m e a r e a n a l y z e d v i b r a t i o n a lp r o p e r t i e s o ff o u rd i f f e r e n t t y p e c a t e n a r y ( c h 16 0 0 ，c hi6 0 一y ，r e 2 5 0 0 ，r e 2 5 0 一y ) a r es t u d i e db a s e do nt h e i rf i n i t e m o d e l s c a t e n a r yi s c o n s i d e r e da sf l e x i b l eb o d yi nd y n a m i cs i m u l a t i o ni nt h i s t h e s i s n e x t t h et h r e e d i m e n s i o n a l s i m u l a t i v em o d e li n v o l v e di n t r a c k ，t r a i n ， p a n t o g r a p h a n d c a t e n a r y i ss e t u p b a s e d o nt h e m o d e l ，c u r r e n tc o l l e c t i n g p e r f o r m a n c e i st h ee m p h a s i so fd y n a m i c s i m u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h e v i b r a t i n gr e s p o n s e si n c o n s i d e r a t i o no ft h et r a c ke x c i t a t i o ni s a n a l y z e da n dt h e r e s u l t sa td i f f e r e n ts p e e da r ec o m p a r e d f i n a l l y , t r i a ld a t af r o mb a o j ir a i l w a yt e s t i n gc e n t e ri st o v e r i f yt h em e t h o d t h a ts t r e s si ss t u d i e db yu s i n gf i n i t em o d e lo fc a t e n a r yd y n a m i c t h r o u g ht h e d e t a i l e da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nw eg e tt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so f t h ec a t e n a r y k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n g ；p a n t o g r a p h ；c a t e n a r y ；d y n a m i c s t r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路高速化技术在近十几年得到突飞猛进的发展，列车的运行速度从近 1 0 0 k m h 发展到3 0 0 k m h ，法国高速车的实验速度甚至达到5 1 5 k m h 。我国在9 0 年代初进行铁路提速的，列车的速度从8 0 k m h 提高到目前运行的最高速度 2 0 0 k h ，运行2 0 0 k m h 的秦沈客运专线已经开通，速度3 0 0 k m h 的高速线京 沪线也丌始研究建设，高速列车高速铁路机车车辆的研制更是走在前面， 目前，3 0 0 k m h 高速机车车辆转向架已研制成功，在滚动试验台上的实验速度已 经达到4 0 0 k m h ，可以说，在中国一个高速铁路的时代已经到来。人 f f j i 青- 楚地认 识到机车车辆如此地发展，是和机车车辆动力学的成功研究，仿真技术的成功 发展所分不开的。 高速铁路均采用电力牵引，高速电气化铁路般采用接触网受电弓作为电 能传输手段( 如图1 一l 所示) ，无论在任何气候或线路条件下，对高速行驶的列 车必须保证其供电的绝对可靠，电流不能中断，或者说中断必须是极短的瞬间， 否则将影响电气制动系统的功能。电能传输时还应该考虑弓头从接触线离线产 生的电弧会给周围环境造成影响，它还会导致滑板和接触线烧蚀以及磨耗加剧， 带来温度升高会使材料强度下降甚至酿成事故等等危害。所以铁路高速化中， 除了要研制高速机车车辆和线路结构，还必须研究受电弓接触网的高速受流问 题。目前弓网系统动力学的研究在国内外已十分重视，德国、意大利等国已有 了各自的弓网系统仿真软件，而且在接触网设计和施工过程中发挥了重要作用， 我国在弓网系统动力学研究方面起步较晚，但发展较快，已逐步形成具有自主 知识产权的弓网系统仿真计算软件。 图1 - 1 列车运行中的弓，网系统 动态受流是指电力机车运行时，通过受电弓与接触线的相对运动接触接受 电流并传给电力机车的过程。这一过程中受电弓与接触线在电气方面与机械方 面相互制约、相互依赖、相互作用，因而受流质量受很多因素的影响，如接触 线的弹性系数、接触线的坡度、接触线的悬挂类型、接触线的材质、受电弓的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 稳定抬升力、抬升量、滑板材质、归算质量以及列车的运行速度、加速度、车 辆类型和线路条件等。如果弓网之闻不能保持可靠的接触，将不能保持良好的 动态受流，尤其是出现离线现象，使弓网接触中断，从而产生下列不良后果： ( 1 ) 离线的瞬间产生的飞弧放电，会烧蚀接触导线和滑板接触面，使以后 的受流更加恶化，同时增大两者之间的电器腐蚀，缩短工作寿命。 ( 2 ) 对附近的通信线路产生噪音干扰。 ( 3 ) 大离线和连续离线会使电力机车的正常供电受到破坏，并可能导致车 内产生危险的过电压。 随着列车运行速度的提高，弓网问的动态性能变差，尤其是弓网之问接触 压力变化幅值增大，当接触压力过小，易造成离线，即受电弓脱离接触线或产 生电弧：但是接触压力过大时，接触线抬升量过大，使接触线局部弯曲，引起 接触线疲劳损伤，同时使接触线磨耗增大，严重时造成弓网事故。另外，为了 提高接触网波动的传播速度，改善受流质量，常采用加大接触线张力的方法， 但是也加大了接触线的应力，对接触网的可靠性造成影响。接触网在运行中， 其主要零部件，如承力索，线夹等疲劳破坏时有发生。特别是高速接触网，随 着电气化铁路运行速度的不断提高，列车运行时受电弓和接触网的作用力加剧， 接触网作为经受复杂荷载和恶劣天气环境影响的系统，它的失效破坏将引起严 重后果。鉴于我国的实际情况，改造既有线路的接触网将耗费大量的开支，还 要花费很长的时间，因此可以考虑通过采用先进的理论和技术来设计和改造受 电弓，使其达到稳定的要求。 本文就是围绕我国2 5 0 k m h 高速受电弓开发所进行研究工作，吸收以往的 研究成果，基于虚拟样机技术，研究高速受电弓设计开发过程中的相关问题。 把可视化三维结构设计和运动分析、运行性能分析和可靠性研究有机结合，进 行一体化研究，改变以往通过建立数学模型研究弓网特性的方法。本文采用三 维实体建模，并在此基础上对受电弓接触网进行仿真，根据仿真结果分析弓网 系统的特性。本文主要研究三个方面的内容，一是受电弓的三维设计、几何运 动关系、零部件强度校验；二是针对受电弓接触网动力学耦合来研究其受流质 量；三是研究接触网的振动特性以及动态环境下的寿命问题。电力机车运行方 式决定了这个三个方面的研究是一个整体，三者相互制约，相互关联，虚拟样 机技术是并行工程，可以根据它们之间的联系同时进行三方面的研究，使它们 综合性能达到最佳。运用虚拟样机的先进技术来研究弓网，势必可以节省大量 的人力、物力、财力，可以缩短高速受电弓的开发和设计的周期，可以提高接 触网性能以及其疲劳寿命。因而，本文所做的工作有着很重要的实际意义。 1 2 虚拟样机技术介绍 随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市 场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的 研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这 样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市 场份额和利润。虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 就是在这种迫切需要的驱动下 产生的。 新产品的研发涉及诸如机械运动学与动力学、人机工程学、美学等多个相 关的学科，而传统的设计方法又无法使各学科理论的实现达到最优。一种新设 备的研发，按照传统的设计模式通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改 进定型和批量生产几个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺 陷f 成本高、周期长) ，往往使物理样机的反复性试验不够充分，加上设计人员通 常不愿为修改局部而给整机带来不可欲知的结果，这就使我国的机械产品造型、 结构和功能严重老化，从而在市场上缺乏竞争能力。这种基于样机制造、试验 的设计方法增加了新产品的研发周期和成本。产品结构越复杂，这种人力、物 力、财力的浪费越严重，从而严重地制约了产品质量的提高。虚拟样机技术的 出现和逐渐成熟，为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。 虚拟样机技术的研究正处于探索中，目前在国内外尚没有一个统的定义， 现将几种比较有代表性的论述归纳如下： 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建 立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程 条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机是一种计 算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动 力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的模型， 伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿 真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及 可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方而交 互的建模与分析。它在c a d 模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为 产品的研发提供了一个全新的设计方法。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力 学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面 技术，将分散的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 和f l e x 有限元分析) 集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信 息不断地指导设计，保证产品寻优开发过程顺利进行。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下 特点： 1 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基 于并行工程( 如零部件c a d 和f l e x 的有限元分析) ，使产品在概念设计阶段就可 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化 技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最 优工作性能。 2 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件 不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物 理样机的数量，而且缩短了研发周朗、提高了产品质量。 3 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源 的局限性，出现了在一定时问内，通过h l t e m e t ，( 或i n t r a n e t ) l l 伍时缔结成的种 虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重 要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、 反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 1 3 国内外研究现状 电力机车特殊的供电方式关于受电弓的研究都是和接触网联系在一起的。 只有两者的耦合性能良好，才能保证电力机车的高速运行。 弓网耦合动力学研究工作始于5 0 年代，曰本的腾井教授和柴田教授，最早 建立了集中质量的弓网耦合系统模型 2 】。7 0 年代江原信郎、真锅克士建立了具 有了广泛代表性的理论模型口】。8 0 年代后，计算机技术和计算方法的发展使更 精确的考虑弓网模型称为可能因此出现了接触网的有限元模型及受电弓的多元 模型【3 3 【“。 9 0 年代开始后，虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、曰本等 已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、 机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程 咨询等很多方面。与此同时国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较 有影响的有美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ，) 的a d a m s ，c a d s i 的 d a d s ，德国航天局的s i m p a c k ，其它还有w o r k m gm o d e l i n g 、f l o w 3 d 等等。 与此同时虚拟样机技术也应用到弓网系统的研究上来。比较有代表性的是德国 的g p o e s t c h 等人采用s i m p a c k 等软件建立了受电弓的三维模型p j ，并且采用 了弓头和框架受控联合的方式，对弓网的动力学和主动控制进行了研究。德国 的a v e i t l 教授也是采用s i m p a c k 软件采用联合仿真( c o s i m u l a t i o n ) 的方式 对弓网系统的特性进行研究，研究受流质量、空气动力学等方面的问题i o l 。 近年来，我国学者通过建立弓网数学耦合数学以及接触网的有限元模型， 在这一领域也做了大量的工作，包括弓网藕合动力学、接触网的动应力研究、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 受电弓几何参数的优化、受电弓主动控制等方面 7 】1 8 【9 】。 从“九五”期间，我国开始了对虚拟样机系统的跟踪研究，主要应用于航 天和汽车工业领域，取得了初步的研究成果。“十五”期间，虚拟样机已经成为 铁道机车车辆行业的一个关键技术发展项目。在未来的提速、高速机车车辆、 弓网系统和城市轻轨车辆领域中，虚拟样机将扮演极为重要的角色。目前，只 有一些大学和科研院所在进行这一方丽的工作。实施这项技术的关键就是如何 开发出可信度高的数字化模型( 即虚拟样机) ，如何等效简化实际工况进行虚拟试 验，并在设计阶段就能完全预测评价产品的各项性能。 围绕产品从概念设计到定型生产的整个研发周期，再从设计师、决策层、 制造商、销售商到用户群等全方位地观察和研究产品，虚拟样机技术显示了其 强大的优势和发展潜力。面向2 l 世纪，虚拟样机技术势必成为将来产品研发的 主流，特别是对成本高、系统复杂、不可能制造多台物理样机行业，应用前景 看好。本文应用虚拟样机技术对弓网系统进行研究，在国内是比较新的，对于 铁路高速化有着重要的意义。 1 4 本论文研究方法和结构 虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统动力学与动力 学建模理论及其技术实现。作为应用数学的分支的数值算法及时地提供了求解 这种问题地有效地快速算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术 提供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了 技术环境。 把虚拟样机技术结合到的弓网研究领域，分析如下。受电弓从功能设计来 分，包括三维设计、机构分析，动力学分析、控制工程、参数优化、强度分析、 接触点的摩擦磨损、空气动力学性能、受流性能等不同环节( 见图l - 2 所示) ， 各环节相互影响。在完成设计方案后，进行三维实体模型的构建，然后在三维 实体模型的基础上，进行部件强度分析、机构分析和综合性能测试。 动力学仿真和强度研究在样机产品的设计中占据着很重要的地位，受电弓 的开发和设计同样也不例外，本文将重点研究受电弓接触网系统的动力学问题 和( 动) 强度问题。考虑到动力学仿真在受电弓样机产品设计中的重要性，必 须具备在不同情况下的完善、详细以及较为精确的弓网系统的动力学仿真模型。 一个典型多体动力学系统通常由刚体、弹性体、无质量的力单元、铰单元等组 成。在弓网系统中，考虑到在弓网系统中，受电弓的框架和弓头部分变形较小， 接触网的变形较大，本文把受电弓的框架和弓头部分作为刚体( r i g i d ) ，接触网 作为弹性体( e l a s t i c ) 在来研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 2 受电弓设计开发过程幽 根据上述的研究方法，将本文的结构安排如下： ( 1 ) 首先根据受电弓的设计方案，建立各部件的可视化模型，然后进行装 配，生成受电弓的可视化模型。 ( 2 ) 对受电弓的上框架和下臂杆进行强度计算。并对受电弓的几何参数进 行验证。 ( 3 ) 对接触网进行模态分析，研究其振动特性。随后对接触网的进行子结 构分析，利用f e m b s 模块生成动力学软件可以引用的接触网模型。 ( 4 ) 建立从轨道、机车、受电弓到接触网的完整弓网系统动力学耦合模型， 分析不同速度下不同接触网的受流质量。 ( 5 ) 利用弓网耦合动力学分析的结果，对接触网进行动位移和动应力分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章受电弓三维实体建模和强度分析 虚拟产品丌发过程是建立在利用计算机完成产品的开发过程构想的基础卜 的，是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、 并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟建模技术等为一体。在虚拟条件下， 对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。它的显著特点之一就是利用存储 在计算机内部的数字化模型虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析。在 本章中建立受电弓的主要部件的三维实体模型，并装配起来进行几何参数的校 验。同时在有限元软件中埘零部件进行强度分析。 2 1 三维实体建模技术概述 实体指的是在空间具有有限体积的物体，它既具有几何特性，如面积、形 状和中心等，又具有物理特性，如质量、重心等。实体模型般可以表示实体 的，l 何和物理特性，采用这种模型，可以从c a d 系统中得到如n c 编程、有限元 分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。 三维实体建模也称体素建模，主要研究如何简单方便地定义简单的几何形 体( 即体素) ，以及如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体，并在 图形设备上输出的方法。其核心问题是采用什么方法来表示实体。在c a d 系统 中，表示一个实体的方法有很多，如实体实例法、网格分解法、边界表示法、 扫描法等。应用较为广泛的方法有构造实体几何法( c g s ) 、边界表示法( b - r e p ) 、 扫描法。 除了前面所描述的显式几何建模外，在许多设计任务中要有目的地采用参 数化建模。虚拟设计中经常地任务在于设计要适应新的要求。对现代化设计系 统的一个主要要求在于辅助设计变量和已有设计的可再使用性。参数化建模或 参数化设计是虚拟设计的一个发展方向，它可以消除传统c a d 系统的一系列缺 陷，比如在变化时较小的柔性以及缺少功能关系和设计意图方面的功能等。 2 1 1 参数化设计 在生产设计中，设计人员经常碰到这样的情况，许多零件( 如标准零件) 的形状具有相似性，仅尺寸的大小不同，或者一个新产品的设计是在一个原有 产品的基础上做一些小的改动，希望修改后马上产生新的模型。这样的要求在 传统的几何模型上很难实现，一般只能重新建模。也就是说，传统的建模方法 ( 线框建模、曲面建模、实体建模) 只能建立固定的设计模型，不能够满足设 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 计自动化的要求，模型一旦建立，修改时需要重新建模，设计效率很低。 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是以规则或代数方程的形式定义尺寸 间的约束关系，建立相应的推理和求解驱动机制，把实体模型和曲面模型归于 统一的系统，实施模型变换；并力图形成统一的数据，以几何造型、工艺规划 生成，数控加工数据相关，使尺寸变化与工艺规程的改变、零件的装配信息的 改变、加工编程的改变实现自动或部分自动化。 参数化设计更强调面向工程应用，当模型修改或变形时，设计者可以分析 修改某些数值的参数( 如长度、角度) 的值，得到相应的几何模型，并保持原 有模型中相互的约束关系不变，从而实现动态修改产品几何模型的需要。 2 2 2 参数化设计的实现 要实现参数化设计，必须先建立零件的参数化模型。所谓参数化模型，就 是标有参数名的零件草图，由用户输入，并在屏幕上显示出来。一般情况下， 模型的结构( 即拓扑信息) 是不变的，各个参数值是可变的，但在某些情况下， 拓扑结构也可改变。 目前较为成熟的参数化设计方法是基于约束的尺寸驱动方法和基于特征 的参数化建模方法。 基于约束的尺寸驱动方法的基本原理是：是初始图形施加一定的约束f 以 尺寸进行约束或实体关系进行约束) ，模型一旦建好后，尺寸的修改立即会自动 转变为模型的修改，即尺寸驱动模型( d i m e n s i o nd r i v e ng e o m e t r y ) 。如一个 长方体，对其长厶宽以高赋予一定的尺寸，它的大小就确定了。当改变厶 以的值时，长方体的大小随之改变。这里，不但包含了尺寸的约束，而且包 含了隐含的几何关系约束，如相对的两个平面相互平行，矩形的邻边互相垂直 等。 基于约束的尺寸驱动是将几何模型中的一些基本图素进行约束，当尺寸变 化时，必须仍满足其约束条件，从而达到新的尺寸平衡。 约束一般分为两类：一类称为尺寸约束，它包括线性尺寸、角度尺寸等一 般尺寸标注中的尺寸约束，也称作显式约束；另一类约束称为几何约束，它包 括水平约束、垂直约束平行约束、相切约束等，这类约束称为隐式约束。图x x 表示了约束的几种类型。约束时可能存在过约束与欠约束的问题。过约束是指 对一个图形的几何形状及关系设定了过多的约束，而欠约束则是约束未给够， 这些都可能导致求解时出现错误。 常用的基于约束的尺寸驱动方法有三种： ( 1 ) 变动几何法( v a r i a t i o ng e o m e t r y ) 。此法是基于几何约束的数学方 法，是较早使用的参数化建模方法。它将给定的几何约束转化为一系列以特征 点为变元的非线性方程组，通过数值方法求解非线性方程组确定几何细节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 首先把图形看做是由一些关键点定义的，用矢量表示为 r = s i ，x 2 ，气，一2 ，x n x 。( 2 - i ) 式中，x ：x 3 分别表示x ，y ，z ，依此类推。 然后，根据需要的这些点可以构成高一层的面、边和尺寸，为了限制这些 几何特征的形状与位置，几何元素之间的关系必须用一组约束来描述，根据实 际图形的约束，可得到非线性约束方程组： f ( x ，d 1 = 0 式中，j 为几何向量；d 为尺寸向量；m 为约束条件个数。 最后，通过数值方法求解非线性方程组，得出一组与尺寸相对应的几何模 型。 变动几何法从逻辑上讲比较简单，而把大量复杂的问题留给计算机去解决。 在实际的应用中，要求用户输入充分且一致的尺寸约束。如果出现欠约束、过 约束以及尺寸不一致的情况，方程组的求解将遭遇困难。这种方法的通用性好， 但缺乏对约束检查的有效手段，且由于方程组的解可能不是唯一的，将影响几 何形状的唯一性。实际上，几何模型的约束方程组是非线性方程组。 ( 2 ) 几何推理法( g e o m e t r i cr e a s o n i n g ) 是根据几何模型的几何特征， 利用约束之间的相互关系，对给定的约束采用匹配方法，将约束条件与规则库 中的推理规则进行匹配，逐步得到几何模型的一种方法。 首先每个约束可用谓词语句描述，如两个同方向的线段1 1 、1 2 平行表示 成( p a r a l l e l ，1 1 ，1 2 ，s a m e ) ，每条约束语句与定的约束方程相对应，如平 行约束对应的方程为： 4 1 = a a , 2b 1 l2 a b l2 ( 2 - 3 ) 若两线方向相同，则a = 1 ，若方向相反，则a = 一1 。当一组约束存在时， 它们之间的关系为逻辑与条件；将规则库中的推理规则与其相匹配，若匹配成 功，则可得出结论；推演得出的结论又可作为进步推演的条件，形成一个推 演链。一条规则求解一定的代数方程，逐步求解，最终得到所需的几何模型。 这种方法仅为一种局部求解法，与变动几何法相比，可以避免复杂方程组 的求解问题。同时，可以判断并处理几何模型通用模式定义时产生的约束不一 致和过约束定义的问题。 ( 3 ) 参数驱动法是一种基于对图形数据库的操作和对几何约束的处理，使 用驱动树来分析几何约束，对图形进行编程处理的方法。 首先将复杂的物体逐步分解为相对简单的几何体素，然后对图形数据库进 行操作，再通过图形之间的约束对生成几何体素进行处理，得到所需的几何模 型。这种方法不涉及复杂的方程组的求解问题，简单易用，能够很好地处理相 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对复杂物体地三维建模问题。 2 2 受电弓三维实体模型 受电弓是从电力机车上受取电流的基本装置，其工作的最大特点就是动态 接触。受电弓的形式非常繁多，按其传动形式、辈杆形式、运行速度和使用场 合等可分为很多类。目前我国电力机车上常用的是单臂受电弓，并且高速受电 弓也多位单臂受电弓，且弓头上方有两条滑板。如d s a 2 0 0 c r 、d s a 一3 5 0 s 以及 d s a 一3 8 0 s 等受电弓。 受电弓一般由弓头、框架、底架和传动机构四部分组成。底架支持框架， 通过绝缘子固定在车顶上，框架通过升弓弹簧支持弓头，从机构学分析，整个 框架就是个四连杆机构，传动机构作用于下臂杆来实现升弓动作。 建立受电弓的三维实体模型是进行下一步研究的基础，本文中实体模型采 用p r o e 2 0 0 0 i 建立模型。p r o e n g i n e e r 是一个强有力的3 d 实体模型( 3 ds o l i d m o d e l ) 设计软件，不仅c a d 功能超强，而且同时具有g a d 和g a g 的功能。内容 包括工业设计、大型装配件设计、数值模拟、制造加工与产品数据管理等。另 一方面，支持同时针对同一个产品进行同步工程( c o n c u r r e n tg n g i n e e r i n g ) 设计，c a d c a e c a m 工程设计流程图如下如所示。p r o e n g i n e e r 独特的参数式 理念( p a r a m e t r i cc o n c e p t ) ，强调单一数据库管理系统，视尺寸为可变的参数， 尺寸修改后实体模型立即重新产生“。 图2 - 1c a d c a e c a m 工程设计流程图 受电弓的参数表如表2 1 所示。根据上节建模的理论，以及分析研究的需 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 要，在p r o e n g i n e e 软件中建立受电弓各部件的三维实体图。 1 头支架、上框架、下臂秆：弓头炭化板以及底架的三维实体模型如画i f i 、 2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 所示： 图2 - 2 弓头支架三维实体图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图2 3 上框架三维实体翻图24f 臂杆三维实体图 图2 5 弓头炭化板三维实体图 例2 6 受电弓底架三维实体图 尽管受宅弓结构复杂，但在其框架部分，只有下臂杆具有一个独立的自由 度。因此只要确定了下臂杆的运动，就确定了框架的其它部件运动。弓头( 包 括碳滑板和支架部分) 用板簧悬挂在框架上，所以该受电弓具有框架运动和前 后弓头垂向运动3 个自由度。根据受电弓各部件的约束关系，装配受电弓各部 件，如图2 7 所示所示。根据受电弓的三维实体装配模型，首先可以进行对其 进行几何运动关系分析。 图2 7 受电弓各部件三维实体装配图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 受电弓几何运动分析 对受电弓的基本要求是接触可靠、磨耗小。良好的受流可以对受电弓各方面 的要求可以总结如下 1 3 je “1 ： ( 1 ) 受电弓活动部分( 包括弓头) 归算质量要小。归算质量越小，y t 降运动 的惯性力就越小，受电弓追随接触线高度变化的性能就越好，接触也就越可靠。 f 2 1 有良好的静压力特性。要求弓头在整个工作范围内具有几乎不变的静压 力值，并且弓头上升、下降的压力过小特性曲线尽可能接近。静压力值不宜过 大或过小。静压力越大，接触电阻就越小，走行起来弓网接触就越可靠。但压 力过大，受电弓滑板和接触线的磨耗增大。相反，静压力过小，受电弓追随接 触线的系能变坏，易产生接触电阻大引起电热、离线、拉弧。一般要求最小接 触压力大于2 0 n 。 f 3 ) 有足够的高度范围来满足线路接触导线高度变化的需要。弓头在机车前 进方向上的纵向偏移量应尽量小。 f 4 1 弓头在运动中要保持水平。由于受电弓弓头的工作随接触网的高度的变 化而变化，在工作高度变化时，应保证弓头和基本水平，如果由于受电弓机构 无法保持弓头的水平运动，将引起前后滑板接触不均匀，造成弓头偏磨和离线。 f 5 1 有足够的刚度和强度，保证受电弓的横向刚度等在设计要求范围内。 达到以上的要求需要从各方面加以努力，以改善受流质量。机构优化可以作 为设计性能优良的受电弓的一种有效的方法和途径。 利用上节建立受电弓三维实体模型开展受电弓的机构分析。根据上述对受电 弓的要求，受电弓设计时必须尽可能保证弓头在机车前进的方向上纵向偏移量 应尽量小，同时受电弓的弓头应保证在水平位置上。图2 - 8 和2 - 9 所示为弓 头平衡臂相对于水平位置的偏转角和弓头沿列车运行方向的纵向位移相对于升 弓高度的曲线图。 图2 - 8 升弓高度和弓头偏转角关系图 圈2 0 升弓高度和弓头位移关系图 从图2 - 8 中可知，受电弓在工作高度0 5 25 m 升降过程中，弓头在9 0 。附 近偏转，最大偏转角为9 0 9 1 4 3 3 。，最小偏转角为偏转幅度为8 8 6 3 1 6 。，偏转 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 幅度为2 2 8 2 7 2 。由此可见，受电弓在升降过程中，弓头基本保持在水平位置。 从图2 - 9 中可知，受电弓在工作高度0 5 2 5 m 升降的过程中，弓头在机车 前进的方向上纵向偏移量最大值为8 6 m m ，偏移量的最小值为一3 7 5 8 m m 。由此 可以得到，受电弓在升降的过程中，在机车前进的方向上纵向偏移量非常小。 根据上述分析，受电弓几何性能基本达到要求。同时还可以根据输出的结果 来凋整受电弓的参数，迸一步优化，使其达到最佳的几何特性，从而具有较好 的运动学和动力学性能。 2 4 零部件强度设计 作为受电弓虚拟样机设计的重要部分，由于受电弓的下臂杆、上框架要承 受较大的载荷，首先必须对受电弓的零部件进行强度校核。利用在 p r o e e n g i n e e r i n g 中建立三维实体模型，产生t 1 g s 三维标准类型文件，然后 在大型有限元软件引入，并划分网格，进行强度分析。 受电弓的部件主要受两种类型的应力作用，包括拉压应力和弯曲应力，计 算公式如下。 ( 1 ) 拉压应力，应力计算公式为： “：兰( 2 3 ) 1 a 其中代表所承受的拉( 压) 力，a 代表截面的面积，盯代表应力值的大 小。 ( 2 ) 弯曲应力，应力计算公式为： ：丝 k z - e k 、) 仃弯2 其中m 代表截面所承受的弯距，y 为距离中性层的距离，t 为横截面对中 性轴的惯性距，盯代表应力值的大小。 2 4 1 受电弓上框架和下臂杆承受的载荷情况 综合考虑受电弓在运行过程中的各种因素，根据国际电工委员会i e c 一6 0 4 9 4 标准，上框架和下臂杆承受载荷情况如下： ( 1 ) 上框架 1 在上框架的顶端分别加上2 5 0 n 的垂向力。 2 在上框架的顶端一侧加上3 0 0 n 的侧向力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 2 ) 下臂杆 i 在下臂杆的顶端两侧分别加载3 5 0 n 的垂向力。 2 在下臂杆的顶端的- - f l q d n 载3 0 0 n 的侧向力。 上框架的材料分别采用铝合金z l l 0 5 和合金钢q 2 9 5 a ，通过计算对两种材料 的强度特性进行比较。下臂杆采用铝台金z l l 0 5 。两种材料的基本参数见表2 - 2 所示。 表2 - 2 材料的基本参数表4 2 】【4 3 1 z i 。1 0 5 2 7 0 0o 3 22 2 5 6 8 0 0 0 q 2 9 5 a 7 8 0 003 2 3 52 1 0 0 0 0 2 4 2 上框架的强度计算及分析 对生成的上框架的有限元模型，根据2 4l 节的参数，设置材料特性，划分 单元，施加载荷，进行强度分析。 根据强度分析的结果， q 2 9 5 a 和z l l 0 5 上框架的应力图如图2 1 0 、2 ，1 1 所示。垂向位移图如图2 1 2 、2 1 3 所示。横向位移图如图2 1 4 、2 1 5 所示。 图2 - 1 0 0 2 9 5 a 上框架应力图图2 - 1 1z l l 0 5 上框架应力图 从图2 一1 0 和2 1 1 上框架的应力图可知，q 2 9 5 a 上框架的最大应力值为 1 2 2 3 5 6 m p a ，小于极限应力值2 3 5 村p a ，z l l 0 5 的最大应力值为1 2 0 9 3 9 m p a ，小于 极限应力值2 2 5 m p a ，所以上框架的应力的大小和材料无关。两种材料做成的上 框架最大应力都在1 2 0 m p a 左右，都在各自材料允许的范围之内，且两种材料的 上框架的应力分布基本相同，最大应力点发生在上框架和下臂杆的交接处。两 种材料的不同之处在于合金钢q 2 9 5 a 上框架所能承受最大应力大于z l l 0 5 上框 架所能承受的最大应力，且抗疲劳性能较好。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 1 2q 2 9 5 a 上框架垂向位移图 图2 1 3z l l 0 5 上框架垂向位移幽 从图2 1 2 、2 - 1 3 两种材料的垂向位移图可知，q 2 9 5 a 上框架的最大垂向位 移为1 4 ，3 5 4 n l f f i ，z l l 0 5 上框架的最大垂向位移4 4 3 3 5 m r n ，两者倍数为 4 4 3 3 5 1 4 3 5 4 - 3 0 8 8 7 ，两者杨氏模量的倍数为，2 1 0 0 0 0 6 8 0 0 0 = 3 0 8 8 2 ，由此 可见，在同等载荷情况下，垂向位移与材料的杨氏模量成倍数关系。 图2 1 4q 2 9 5 a 上框架横向位移图图2 1 5z l l 0 5 上框架横向位移图 从图2 一1 4 、2 一1 5 可得，q 2 9 5 a 上框架的最大横向位移为2 6 9 6 m m ，z l l 0 5 上框架的最大横向位移为5 2 5 9 m m 。根据国际电工委员会i e c 一6 0 4 9 4 标准，上框 架的横向位移不能超过3 0 m m ，由此可见，在根据i e c 一6 0 4 9 4 施加相同载荷情况 下，q 2 9 5 a 上框架的横向位移比z l l 0 5 上框架的横向位移小。q 2 9 5 a 和z l l 0 5