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铁路车轮型面参数化设计理论

刘晓芳  
【摘要】:本文是在国家自然科学基金项目《轮轨断面优化设计理论》(50475059)资助下完成的。铁路车轮型面设计是决定机车车辆蛇行稳定性、曲线通过性能、轮轨表面磨耗以及脱轨安全性等动力学性能的重要环节。在车轮型面的优化设计中,需要多次反复地进行外形形状曲线修改及性能计算,这就要求对车轮型面进行参数化建模,实现车轮型面的参数化设计。参数化设计在20世纪90年代后期已被广泛应用于机械、汽车、航空、建筑等行业中,但在研究车轮型面的动力学性能及进行车轮型面设计时,还未形成有效的、实用的参数化设计理论。非均匀有理B样条(英文缩写:NURBS)特有的良好性质及利用少量特征参数——权因子和控制顶点就能生成光顺曲线的优势非常适用于车轮型面的参数化设计。本文研究了NURBS曲线构造车轮型面的方法,及由此带来的型面曲线的局部性质、强的凸包性质和几何连续性,解决了车轮型面设计中局部修改踏面外形、保证型面凹凸形状及光顺性等难题;选取权因子和控制顶点作为车轮型面参数化设计中的设计变量,重点分析其几何意义及其取值对车辆动力学性能的影响规律,确定了取值范围;根据车轮型面的设计原则,对轮缘和踏面部分有不同的动力学性能要求,据此确定轮缘和踏面部分曲线的边界条件,利用NURBS曲线插值和逼近的方法分别对轮缘和踏面进行参数化建模,最后利用组合NURBS曲线方法对车轮型面进行参数化建模;基于这种参数化模型,以提高车辆动力学性能为设计目标,提出了基于NURBS表达的,根据少量特征参数生成动力学性能优秀的、光顺的铁路车轮型面参数化设计理论。根据参数化设计理论和设计流程编制软件,并将其应用于北京地铁磨耗型车轮型面的设计,设计出的DM型踏面曲线通过性能好、磨耗指数小,适用于北京地铁小半径曲线多的线路状况,证明了该设计理论具有较强的工程实用价值。


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