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上，本文綜合應用力學、熱

2、力學及有限元等基礎理論，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構剛度矩陣的表述形式，便于耦合模型的迭代求解。最后，在本構關系求得的近似應力解的基礎上，應用數(shù)值分析中的最小二乘原理建立了應力磨平的有限元方程，

3、提高了應力場的計算精度。 熱力耦合模型中，材料的熱物理性能和力學性能對溫度具有較強的依賴關系。考慮了溫度對材料性能的影響以后，數(shù)學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，以元件化程序設計和軟件自動生成技術相結合的FEPG作為軟件平臺，完成了有限元程

4、序的編制和調試工作。首先，將仿真預備數(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，應用了以數(shù)字光柵投影和Graycode編碼法為基礎的結構光三維成像技術，測量精度在0.1mm以內。非接觸式測量是熱應力實驗研究的發(fā)展方向，而光學成像技術在熱變形檢測中的應用，為熱應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、度與變形的關系曲線，并從這一“關系曲線”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、冷卻條件等對結構變形的影響。最終，結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。 隨著電力電子技術的廣泛應用，電熱沖擊引起的熱力耦合作用使結構變形損傷愈來愈普遍。研究結果表明，本文建立的熱力耦合模型可以進行電熱沖擊下結構體變形的定量分析。因此，依