一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，通过建立受电弓动态有限元分析模型，对400km/h运行速度下受电弓动态结构强度进行研究，针对400km/h运行速度下受电弓的最大应力及变形情况，提出一种基于神经网络的优化方法，能够改善受电弓在400km/h运行速度下的动态结构强度。本发明专利技术能够降低受电弓高速运行中结构失稳的可能性，对于新型高速受电弓的结构设计具有参考意义。高速受电弓的结构设计具有参考意义。高速受电弓的结构设计具有参考意义。

【技术实现步骤摘要】
一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法


[0001]本专利技术涉及高速铁路受电弓动态结构强度优化
，具体为一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法。

技术介绍

[0002]在铁路高速化进程中，受电弓与接触网间的稳定接触是高速列车安全运行的重要条件，受电弓作为列车关键取流设备，其结构在运行过程中是否稳定，将直接影响弓网系统的供电能力，进而影响到高速列车安全运营。随着运行速度的提高，特别是在400km/h高速运行工况下，弓网接触力波动幅度显著提升，受电弓在运行过程中出现结构失稳的可能性也随之增加。受电弓结构受损不仅引起弓网受流中断，甚至可能对接触网系统造成破坏。
[0003]目前已有大量学者针对受电弓的性能分析及优化设计进行了研究。Pombo等(Pombo J,J Ambr
ó
sio.Influence of pantograph suspension characteristics on the contact quality with the catenary for high speed trains[J].Computers&Structures,2012,110
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111(NOV.):32
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42.)通过建立有限元和多体动力学方法的协同仿真程序，研究了弓头质量，弓头悬挂刚度及下框架阻尼值对于弓网接触力的影响；Zhou等(Zhou N,Zhang W.Investigation on dynamic performance and parameter optimization design of pantograph and catenary system[J].Finite Elements in Analysis and Design,2011,47(3):288
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295.)采用灵敏度分析技术对受电弓归算参数进行了优化设计，并进行了相关测试试验；Wang等(Wang W,Liang Y,Zhang W,et al.Effect of the nonlinear displacement
‑
dependent characteristics of a hydraulic damper on high
‑
speed rail pantograph dynamics[J].Nonlinear Dynamics,2019.)提出了一种新型非线性阻尼器，能够更好地模拟受电弓的工作条件，并分析了阻尼参数对于受电弓运行性能的影响；Jia等(Jia F,Xu F,Zhou H,et al.Optimization and simulation of the operational motion of a pantograph:Uplift and retraction[J].Journal of Mechanical Science&Technology,2017,31(1):41
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52.)通过构建受电弓多体数学模型，以受电弓弓头运动轨迹和平衡杆偏转角度为目标进行了杆件参数优化；Kim等(Kim J W,Yu S N.Design variable optimization for pantograph system of high
‑
speed train using robust design technique[J].International Journal of Precision Engineering&Manufacturing,2013.)利用一种鲁棒设计方法选取最优设计变量，有效降低了受电弓系统的振动行为。在上述研究工作中，对受电弓的优化设计主要采用等效质量模型或多刚体杆件模型进行动力学仿真分析，并未对受电弓实体结构的动态结构强度进行研究。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，通过建立受电弓有限元动态分析模型，对400km/h运行速度下受电弓动态结
构强度进行研究，针对400km/h运行速度下受电弓的最大应力及变形情况，提出一种基于神经网络的优化方法，能够改善受电弓在400km/h运行速度下的动态结构强度。技术方案如下：
[0005]一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，
[0006]包括以下步骤：
[0007]步骤1：选取高速列车采用的受电弓为研究对象，基于DSA380型受电弓的机械参数建立三维实体模型，应用AnsysWorkbench平台进行网格划分建立受电弓有限元动态分析模型，根据受电弓的实际运行工况对受电弓有限元动态分析模型添加边界条件与约束条件；
[0008]步骤2：基于受电弓等效模型参数识别方法对所建立的受电弓有限元动态分析模型进行标准工作高度下的三质量块等效参数验证；根据刚度计算公式计算弓头及上下框架的等效刚度，根据单自由度系统自由振动公式计算弓头及上下框架的等效质量，根据衰减系数计算公式及阻尼系数计算公式计算下框架等效阻尼；然后根据计算所得的弓头及上下框架的等效刚度、弓头及上下框架的等效质量以及下框架等效阻尼参数进行仿真计算，并与标准等效参数对比以验证受电弓有限元动态分析模型的准确性；
[0009]步骤3：根据国际电工委员会标准IEC60494
‑
1，对受电弓有限元动态分析模型进行横向刚度校核，并基于刚性结构的振动方程，使用有限元计算进行对受电弓有限元动态分析模型的模态分析，对前六阶低频模态振型进行解析并与实验结果对比验证；
[0010]步骤4：建立弓网动态耦合模型对时速400公里工况下受电弓有限元动态分析模型受到的载荷冲击进行仿真分析，基于实际接触网结构，建立一锚段长度下接触网与受电弓有限元动态分析模型的动态耦合模型，再通过在所述动态耦合模型中引入接触线与受电弓有限元动态分析模型的弓头之间的接触单元来模拟实际运行过程中的弓网动态接触行为，提取运行过程中稳定区段内一跨长度的弓网接触力及受电弓有限元动态分析模型垂向加速度，基于受电弓动力学平衡方程式对受电弓有限元动态分析模型施加外部激励，分析受电弓有限元动态分析模型的整体应力和变形情况，并对受电弓有限元动态分析模型部件的载荷与机械参数间的关系进行解析，最后分析受电弓有限元动态分析模型部件的应力及铰点的应力，确定结构危险点；
[0011]步骤5：通过构建响应曲面对受电弓有限元动态分析模型进行结构强度优化设计，提升其在400km/h速度下的运行强度，根据受电弓等效结构参数及杆件力学方程组，确定受电弓有限元动态分析模型的主要结构参数及变化范围，并构建受电弓优化模型，采取拉丁超立方体试验设计方法对受电弓有限元动态分析模型设计变量进行抽样，得到不同结构参数的受电弓有限元动态分析模型动态结构强度分析及静态结构分析的仿真结果，通过参数灵敏度分析技术研究优化目标、约束条件及优化变量三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选取高速列车采用的受电弓为研究对象，基于DSA380型受电弓的机械参数建立三维实体模型，应用AnsysWorkbench平台进行网格划分建立受电弓有限元动态分析模型，根据受电弓的实际运行工况对受电弓有限元动态分析模型添加边界条件与约束条件；步骤2：基于受电弓等效模型参数识别方法对所建立的受电弓有限元动态分析模型进行标准工作高度下的三质量块等效参数验证；根据刚度计算公式计算弓头及上下框架的等效刚度，根据单自由度系统自由振动公式计算弓头及上下框架的等效质量，根据衰减系数计算公式及阻尼系数计算公式计算下框架等效阻尼；然后根据计算所得的弓头及上下框架的等效刚度、弓头及上下框架的等效质量以及下框架等效阻尼参数进行仿真计算，并与标准等效参数对比以验证受电弓有限元动态分析模型的准确性；步骤3：根据国际电工委员会标准IEC60494
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1，对受电弓有限元动态分析模型进行横向刚度校核，并基于刚性结构的振动方程，使用有限元计算进行对受电弓有限元动态分析模型的模态分析，对前六阶低频模态振型进行解析并与实验结果对比验证；步骤4：建立弓网动态耦合模型对时速400公里工况下受电弓有限元动态分析模型受到的载荷冲击进行仿真分析，基于实际接触网结构，建立一锚段长度下接触网与受电弓有限元动态分析模型的动态耦合模型，再通过在所述动态耦合模型中引入接触线与受电弓有限元动态分析模型的弓头之间的接触单元来模拟实际运行过程中的弓网动态接触行为，提取运行过程中稳定区段内一跨长度的弓网接触力及受电弓有限元动态分析模型垂向加速度，基于受电弓动力学平衡方程式对受电弓有限元动态分析模型施加外部激励，分析受电弓有限元动态分析模型的整体应力和变形情况，并对受电弓有限元动态分析模型部件的载荷与机械参数间的关系进行解析，最后分析受电弓有限元动态分析模型部件的应力及铰点的应力，确定结构危险点；步骤5：通过构建响应曲面对受电弓有限元动态分析模型进行结构强度优化设计，提升其在400km/h速度下的运行强度，根据受电弓等效结构参数及杆件力学方程组，确定受电弓有限元动态分析模型的主要结构参数及变化范围，并构建受电弓优化模型，采取拉丁超立方体试验设计方法对受电弓有限元动态分析模型设计变量进行抽样，得到不同结构参数的受电弓有限元动态分析模型动态结构强度分析及静态结构分析的仿真结果，通过参数灵敏度分析技术研究优化目标、约束条件及优化变量三者间关联程度，分析受电弓有限元动态分析模型的结构参数对其400km/h运行速度动态结构强度及静态结构强度的影响，基于试验设计数据构建RBF神经网络模型，并对优化变量与优化目标间的响应关系进行拟合，得到相应的响应曲面结果，采用多目标遗传算法MOGA对受电弓有限元动态分析模型的结构强度进行优化，基于响应曲面搜寻Pareto最优解，通过仿真验证优化结果。2.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，受电弓的动态结构强度包括受电弓整体及弓头、弓角、上臂、上导杆、下臂、下导杆的应力与变形情况。3.根据权利要求1所述的一种时速400公里高速受电弓的动态结构强度优化方法，其特征在于，所述步骤2中受电弓等效模型参数识别...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢文艺，刘志刚，王续凡，宋洋，喻文彬，
申请(专利权)人：中国铁建电气化局集团有限公司中铁建电气化局集团第四工程有限公司，
类型：发明
国别省市：