摘 要

　　随着科学技术的迅速发展，车载式电气检测装置在高压电领域得到了普遍运用。车载式变压器空负载损耗测试装置的电气设备都集中安装在货车上，从运输安全性的角度来讲，对电气设备紧固部件的力学校核显得尤其重要。

本文基于三维建模软件建立了用于变压器测试的试验车的实物模型，并利用有限元分析软件对试验车在加速、减速、上坡、下坡和紧急转弯等不同工况下进行力学仿真分析，保证试验车内部电气设备的运输安全。通过仿真分析，得到试验车在不同工况下所受到的最大应力值均小于材料的屈服强度极限，满足设计的要求。然后，对试验车进行动力学模态分析，得到试验车内电气设备在不同模态下的固有频率，再将固有频率和试验车自身产生的激振频率进行比较，得到试验车在不同激振频率下的振动和变形情况。

最后，通过分析比较试验车在不同工况下的受力和变形情况，对电气设备受力薄弱的部分进行加固，使电气设备的紧固部件得到优化。

关键词：有限元仿真；静力学分析；动力学分析；模态分析

Abstract

With the continuous development of science and technology, the vehicle electric detection device has been widely used in high-voltage field. Vehicular transformer empty load loss test device of the electrical equipment is installed on the truck, in terms of transportation safety, on the fastening parts of electric equipment of mechanical check appears especially important.

This article is based on the three-dimensional modeling software test vehicle physical model is established, using the finite element analysis software to test vehicle in the working condition of acceleration and deceleration condition, working condition of uphill and downhill conditions and emergency condition of turning the static strength of the simulation analysis. The results show that the maximum stress of the test vehicle under different working conditions is less than the yield strength limit of the material and meets the design requirements. And then, on the experimental modal analysis, calculate the natural frequency of the test vehicle under different modal, then experimental natural frequency and its vibration frequency comparison, get the vibration of the test vehicle under different vibration frequency and the deformation situation.

Finally, by analyzing and comparing the stress and deformation of the test vehicle under different working conditions, the weak parts of the electrical equipment are reinforced to optimize the fastening parts of the electrical equipment.

Key Words：Finite element simulation；Static analysis；Dynamic analysis；The modal analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2 研究目的及意义 2

1.2.1 研究目的 2

1.2.2 研究意义 2

1.3 研究内容和研究方法 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究方法 3

第２章 有限元法分析 5

2.1 有限元法概述 5

2.2 有限元法分析步骤 5

2.2.1 结构离散化 5

2.2.2 单元分析 6

2.2.3 整体分析 6

2.2.4 求解结点位移 6

2.2.5 计算单元应力 6

2.3 有限元模型的建立 6

2.3.1 几何模型的建立 9

2.3.2 模型简化 9

2.3.3 单元的选择 10

2.3.4 材料属性的定义 11

2.3.5 模型网格的划分 11

2.3.6 载荷施加 12

第3章 试验车静力学分析 14

3.1 加速工况 14

3.2 减速工况 15

3.3 转向工况 16

3.4 上坡工况 17

3.5 下坡工况 19

第4章 试验车的模态分析 20

4.1 模态分析理论 20

4.2 模态分析步骤 20

4.2.1 建立模型 20

4.2.2 设置分析类型 21

4.2.3 施加载荷 21

4.2.4 求解并查看结果 22

4.3 模态计算结果 22

第5章 试验车紧固方案的优化 28

第6章 结论与展望 31

6.1 结论 31

6.2 展望 31

参考文献 32

第1章 绪论

国内外研究现状

汽车动力学是一个定义较为广泛的术语，它主要用于描述车辆的行驶特征。车辆动力学的研究范畴也较为广泛，主要包括汽车传动系统在不同工况下的动力学性能、不同路况下车辆与道路的耦合特性、以及运载货物对车辆运输安全影响等等。

在汽车设备状况以及汽车动力学方面，国内外主要侧重于研究振动与冲击响应，车辆应力分布对车辆动力学性能影响等领域，并在各自的领域取得了重要成果。比如文献[1]。利用实时动态模型的侧翻预测时间作为在线侧翻检测的基础，提高了重型货车的横向行驶稳定性。文献[2]则通过对车辆分别进行线性和非线性的动态仿真，分析出轮胎与道路间的作用力，从而完善对车辆侧翻的预警工作，保证了车辆的行驶安全。文献[3]则以动力学关系为基础，建立了一个简单的汽车模型，并以空气动力学、车辆牵引力、侧翻阀值和滚动阻力等为参考指标，分析出了车辆在安全行驶条件下的最大加速度。但是通过汽车动力学和不通运输工况的结合来研究大型车辆的运输状况并不广泛，相关成果也较少。为此，本文将重点对大型车辆内部电气设备在不同工况下的受力情况进行有限元分析，有限元分析也将以静力学和动力学分析为主。

国外的工程师很早便掌握了有限元技术，并且在汽车设计领域的运用尤为显著。正如学者付艳丽在[4]中所提到的，Krawczuk Marek等人很早便利用有限元技术对某货车车架进行了较为详细的动力学分析和研究。而Teo Han Fui等人也在文章[5]中提出通过对某品牌的载货汽车车架进行动力学模态分析得到车架的固有特性，在此基础上求解出在各种载荷条件下车架的位移和振动响应，得出路面激励是激发车架模态的主要原因。与西方发达国家相比，国内的有限元技术在汽车制造优化方面的开展和应用相对起步较晚。武汉理工大学的邓楚楠教授等人在文章[6]中提出了以某品牌轿车车辆平顺性的研究为目标，利用某有限元软件和有限元方法对该车整车样机模型进行动力学分析和力学分析。山东理工大学的张为春教授等人在文章[7]中借助有限元分析软件对不同典型工况下的自卸车车架强度刚度进行静力学分析，并且在最后寻找了解决车架刚度问题的优化方法。山东理工大学的牛恩拂在文章[8]中提出利用有限元软件建立了某大型载货车的车架有限元模型，并结合车辆的整体结构，通过对该车驾驶室出现强烈振动问题的研究，确定出车轮不平衡是影响该车振动的主要原因。

汽车结构有限元法是一门用来解决汽车结构设计的基础学科，其主要基础为力学理论。在某种程度上来说，汽车结构有限元法也是一种数值算法，是在计算机技术和计算方法迅速发展的基础上发展起来的。这种数值算法可以帮助更好地解决一些有关车辆工程方面的实际问题。从更加广泛的角度来看，有限元分析是计算机辅助工程的重要组成部分，也是计算机辅助工程最先开始应用的领域。在汽车结构试验研究和汽车结构力学分析之后，作为数值分析的典型代表，有限元分析已经成为了另一个研究的重要手段。从起初运用于检验和优化传统汽车的结构问题到现在打开了汽车结构分析的新大门，有限元分析已经成为汽车动力学仿真分析研究的新方法。

研究目的及意义

研究目的

随着科学技术的不断进步，现代化的机械设备的大量使用已经成为人们进行生产制造的主旋律。其中，车载式变压器空负载损耗测试装置就是一个典型代表。车载式变压器空负载损耗测试装置是一款新型的用于测试变压器空负载损耗的装置。其最大的特点即“车载式”。其所有的电气设备将安装在两辆大型的东风牌货车上（以下称之为试验车）。试验车的总体功能要求是在车上独立完成变压器空负载损耗试验。试验设备作业时不需要下车、不需要第二次组装即可以开展相关的损耗测试试验。试验车到现场能够自动展开达到试验状态。并且试验车电气设备的安装位置经过严格的设计计算，试验车的整车重心达到安全运输要求的标准。设备的安装紧固设计满足车辆紧急刹车、上坡、转向的承力要求。当试验车行驶过程中出现加减速，突然转弯时会受到外部和内部激励，可能导致试验车整体或局部产生剧烈振动，产生共振，车辆共振将加速试验车内电气设备的损坏，严重时会造成交通事故，威胁人的生命安全。因此，在不同工况下，对试验车内部电气设备紧固部件的力学仿真的研究具有重要意义。

研究意义

　　本项目的研究对象是一台装载有电气设备的大型东风牌货车。本项目的研究目的是负载货车在不同的运输工况下，对货车车厢内的电气设备进行受力分析，算出各部件的力学裕度，并对紧固部件进行优化处理。通过正确运用多体系统动力学的相关知识和相关有限元力学仿真软件，我们可以得到车辆在不同的运动工况下（静态、匀速（车速从10km/h到100km/h）、加速（车速从0km/h到100km/h）、减速（车速从100km/h到0km/h）、车辆上下坡（坡度从0度到45度）、左右转弯），货车车厢内各种装置（试验电源、三相励磁变压器、补偿电容器组、电流互感器、电压互感器等）的受力情况。从而我们可以分析得到各个装置的紧固部件的力学裕度，同时针对紧固力不足的部件研究相应的解决方案。本文的有关研究为试验车的运输安全和作业安全提供了充足的理论保证。

研究内容和研究方法

研究内容

　　本文主要从试验车在正常行驶过程中产生的激励对整车力学性能影响的角度，结合从厂家所获得的整车设计尺寸以及变压器空负载损耗测试装置的电气设备的主要参数，以汽车动力学理论为基础，运用有限元分析软件,分别建立了两台试验车的三维实物模型和有限元仿真模型，仿真分析试验车内部电气设备在车辆的不同运动工况下，冲击载荷对试验车内部电气设备的不同部位（主要针对紧固部件，连接部件）造成的变形和振动情况，最后根据分析结果对试验车的力学性能进行校核和优化。为了使仿真结果更加具有可靠性，同时保证仿真的效率，本文将对试验车的三维模型结构进行一定量的简化。以上述思路为基础，本文研究的内容主要如下：

　　1. 建立三台试验车相应的3D力学仿真模型，并仿真分析试验车在静态、匀速（车速从10km/h到100km/h）、加速（车速从0km/h到100km/h）、减速（车速从100km/h到0km/h）、车辆上下坡（坡度从0度到45度）等等不同工况条件下的电气设备紧固力学校核；

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