上海地铁使用的制动电阻器，由于瞬间负载大电流产生电热冲击，寻内部电阻片在热力耦合作用下过度变形。热力耦合作用已经引起了泛关注，并取得了显著的研究成果，但所建立的理论分析模型仅在机械冲击条件下适用。就能量转化形式而言，电热冲击下的热力耦合与机械冲击下的热力耦合有所不同。因此，本文在上海地铁运营有限公司的支持下，开展了电热冲击作用下的热力耦合研究，以解决电客列车制动电阻器的变形损伤问题。 在前人研究工作的基础上，本文综合应用力学、热力学及有限元等基础理论，在电热冲击的条件下，建立了完整的热力耦合模型。在耦合模型的建立过程中，首先，区别于以往将变形功视为附加热源的分析观点，考虑变形功对内热源强度的削弱作用，根据能量守恒原理建立了温度场方程。其次，将非线性泛函分析中的G导数引入传统的弹塑性有限变形分析理论，简化了位移场方程中结构刚度矩阵的表述形式，便于耦合模型的迭代求解。最后，在本构关系求得的近似应力解的基础上，应用数值分析中的最小二乘原理建立了应力磨平的有限元方程，提高了应力场的计算精度。 热力耦合模型中，材料的热物理性能和力学性能对温度具有较强的依赖关系。考虑了温度对材料性能的影响以后，数学方程具有较强的非线性。为此，本文对非线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进行了系统的分析、比较，选用了较高求解精度的算法。 为应用建立的理论模型和选用的算法，进行上海地铁制动电阻片热变形的仿真分析，以元件化程序设计和软件自动生成技术相结合的FEPG作为软件平台，完成了有限元程序的编制和调试工作。首先，将仿真预备数据、耦合模型中的物理场方程及耦合算法分别编制为前处理文件、单元信息文件和控制程序流程的命令文件；其次，应用FEPG，根据所编写的文件生成了完整的有限元计算程序；最后，以简单算例验证了程序的有效性。应用FEPG系统编制的有限元程序，解决了热力耦合模型中三种物理场方程双向耦合的求解问题。 用实验方法获得了模型求解过程中所缺少的材料参数，保证了仿真分析的顺利进行。 电阻片温度与热变形的检测实验验证了仿真计算的正确性。在实验工作中，为消除接触式传感器本身对温度场、位移场的干扰，对温度和变形均采用了非接触式测量。在温度的测量中，采用了红外线遥感测温仪，测量精度1℃；在变形的测量中，应用了以数字光栅投影和Graycode编码法为基础的结构光三维成像技术，测量精度在0.1mm以内。非接触式测量是热应力实验研究的发展方向，而光学成像技术在热变形检测中的应用，为热应力的实验研究开辟了新的途径。 本次研究确定了地铁制动电阻片温度与变形的关系曲线，并从这一“关系曲线”中找到了临界温度点，若将电阻片的温度控制在“临界点”以下，就不会造成变形损伤。同时，分析了电阻片几何形状、冷却条件等对结构变形的影响。最终，结合电客列车的运行特点，提出了抑制变形的有力措施，从而防止了制动电阻器报废事故的发生。 随着电力电子技术的广泛应用，电热冲击引起的热力耦合作用使结构变形损伤愈来愈普遍。研究结果表明，本文建立的热力耦合模型可以进行电热冲击下结构体变形的定量分析。因此，依据本模型，可以优化机电设备的结构设计，避免热变形损伤。同时，本文模型在建立过程中所采用的方法，丰富了热力耦合理论和有限元理论。