電客列車制動電阻器熱變形損壞的分析與研究.pdf

1、上海地鐵使用的制動電阻器，由于瞬間負載大電流產(chǎn)生電熱沖擊，尋內(nèi)部電阻片在熱力耦合作用下過度變形。熱力耦合作用已經(jīng)引起了泛關(guān)注，并取得了顯著的研究成果，但所建立的理論分析模型僅在機械沖擊條件下適用。就能量轉(zhuǎn)化形式而言，電熱沖擊下的熱力耦合與機械沖擊下的熱力耦合有所不同。因此，本文在上海地鐵運營有限公司的支持下，開展了電熱沖擊作用下的熱力耦合研究，以解決電客列車制動電阻器的變形損傷問題。 在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本文綜合應(yīng)用力學(xué)、熱

2、力學(xué)及有限元等基礎(chǔ)理論，在電熱沖擊的條件下，建立了完整的熱力耦合模型。在耦合模型的建立過程中，首先，區(qū)別于以往將變形功視為附加熱源的分析觀點，考慮變形功對內(nèi)熱源強度的削弱作用，根據(jù)能量守恒原理建立了溫度場方程。其次，將非線性泛函分析中的G導(dǎo)數(shù)引入傳統(tǒng)的彈塑性有限變形分析理論，簡化了位移場方程中結(jié)構(gòu)剛度矩陣的表述形式，便于耦合模型的迭代求解。最后，在本構(gòu)關(guān)系求得的近似應(yīng)力解的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值分析中的最小二乘原理建立了應(yīng)力磨平的有限元方程，

3、提高了應(yīng)力場的計算精度。 熱力耦合模型中，材料的熱物理性能和力學(xué)性能對溫度具有較強的依賴關(guān)系?？紤]了溫度對材料性能的影響以后，數(shù)學(xué)方程具有較強的非線性。為此，本文對非線性有限元中的分析方法、有限差分格式及耦合求解模式等均進行了系統(tǒng)的分析、比較，選用了較高求解精度的算法。 為應(yīng)用建立的理論模型和選用的算法，進行上海地鐵制動電阻片熱變形的仿真分析，以元件化程序設(shè)計和軟件自動生成技術(shù)相結(jié)合的FEPG作為軟件平臺，完成了有限元程

4、序的編制和調(diào)試工作。首先，將仿真預(yù)備數(shù)據(jù)、耦合模型中的物理場方程及耦合算法分別編制為前處理文件、單元信息文件和控制程序流程的命令文件；其次，應(yīng)用FEPG，根據(jù)所編寫的文件生成了完整的有限元計算程序；最后，以簡單算例驗證了程序的有效性。應(yīng)用FEPG系統(tǒng)編制的有限元程序，解決了熱力耦合模型中三種物理場方程雙向耦合的求解問題。 用實驗方法獲得了模型求解過程中所缺少的材料參數(shù)，保證了仿真分析的順利進行。 電阻片溫度與熱變形的檢測

5、實驗驗證了仿真計算的正確性。在實驗工作中，為消除接觸式傳感器本身對溫度場、位移場的干擾，對溫度和變形均采用了非接觸式測量。在溫度的測量中，采用了紅外線遙感測溫儀，測量精度1℃；在變形的測量中，應(yīng)用了以數(shù)字光柵投影和Graycode編碼法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)，測量精度在0.1mm以內(nèi)。非接觸式測量是熱應(yīng)力實驗研究的發(fā)展方向，而光學(xué)成像技術(shù)在熱變形檢測中的應(yīng)用，為熱應(yīng)力的實驗研究開辟了新的途徑。 本次研究確定了地鐵制動電阻片溫

6、度與變形的關(guān)系曲線，并從這一“關(guān)系曲線”中找到了臨界溫度點，若將電阻片的溫度控制在“臨界點”以下，就不會造成變形損傷。同時，分析了電阻片幾何形狀、冷卻條件等對結(jié)構(gòu)變形的影響。最終，結(jié)合電客列車的運行特點，提出了抑制變形的有力措施，從而防止了制動電阻器報廢事故的發(fā)生。 隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電熱沖擊引起的熱力耦合作用使結(jié)構(gòu)變形損傷愈來愈普遍。研究結(jié)果表明，本文建立的熱力耦合模型可以進行電熱沖擊下結(jié)構(gòu)體變形的定量分析。因此，依