基于有限元的接觸網(wǎng)吊柱改造方案設(shè)計

古曉東，林德福，呂 波，宋 敏

0 引言

雙線隧道內(nèi)接觸網(wǎng)支柱一般采用吊柱的形式，并輔以斜支撐。由于隧道內(nèi)空間狹小，當(dāng)施工誤差較大或其他因素影響時，有可能產(chǎn)生正饋線與吊柱斜撐絕緣距離不足的問題，解決方法有改變正饋線安裝位置或改造吊柱2種。在隧道內(nèi)預(yù)埋件位置已經(jīng)固定，正饋線安裝位置難以改變的情況下，只能制定針對吊柱的整改方案來保證絕緣距離。

在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)支柱的功能是支撐接觸懸掛并承受相應(yīng)的機械荷載作用。吊柱的工作性能、穩(wěn)定性與可靠性直接影響接觸懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，對其進行整改必然會使其工作性能產(chǎn)生改變，因此需要通過精確的力學(xué)分析來確定吊柱的改造方案。

以往對類似結(jié)構(gòu)分析時，為便于公式推導(dǎo)和手工計算，分析時常將結(jié)構(gòu)做一些簡化，如忽略腕臂結(jié)構(gòu)的安裝形式直接將接觸線和承力索上的載荷轉(zhuǎn)化到支柱上，對于腕臂自身連接件，以及荷載作用位置與實際情況有出入，這些均導(dǎo)致計算結(jié)果不準確，從而對后續(xù)的設(shè)計分析造成不利影響。鑒于此，本文擬用有限元理論并通過ANSYS軟件進行吊柱改造方案設(shè)計，以期做到全面、準確。

1 有限元分析方法

1.1 接觸網(wǎng)的有限元分析

有限元法的基本思想是用分片函數(shù)去逼近原函數(shù)，即把無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限自由度的問題，再求解一個線性方程組，得到原方程的近似解，它是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。在求解過程中，求解域被看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解該域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的空間桿件系統(tǒng)，有限元法能針對接觸網(wǎng)的實際結(jié)構(gòu)邊界條件及約束特性進行定量的分析計算，為設(shè)計提供豐富的、反映實際工況的計算結(jié)果，并可利用相關(guān)的仿真分析軟件提供豐富的動態(tài)圖形顯示，既直觀又準確。

1.2 ANSYS分析流程

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于有限元理論的仿真軟件逐步得到應(yīng)用，其中ANSYS功能強大，易用性強，適合用于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析。

ANSYS軟件主要包括3部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造接觸網(wǎng)的有限元模型。分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示等圖形方式顯示，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

利用ANSYS進行接觸網(wǎng)分析過程包括：建立接觸網(wǎng)的有限元模型、施加邊界條件、求解、結(jié)果分析。ANSYS軟件提供了2種操作方式，即用戶圖形界面（GUI）操作與參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）操作。APDL語言可由任何ASCII文件的編輯軟件生成，建立的命令流文件不受軟件版本和系統(tǒng)平臺的限制，有利于保存和交流，適用于復(fù)雜模型的分析。2種操作方式各有其優(yōu)勢，因此在實際應(yīng)用中可根據(jù)需要選用不同的方式進行操作。

2 實例分析

以某設(shè)計時速為250 km的工程為例，現(xiàn)場如圖1所示，正饋線距離斜撐距離293 mm，不滿足規(guī)范300 mm要求。由于預(yù)埋件已固定，正饋線位置無法改變，因此擬采取以下幾種整改方案來增加絕緣距離：取消斜撐、斜撐內(nèi)移60 mm、斜撐上移（距吊柱下端860 mm）。采用有限元分析方法，以受力條件更不利的反定位為例，建立ANSYS分析模型，采用APDL編制相應(yīng)程序，逐一求解分析后最終確定推薦的整改方案。

圖1 隧道內(nèi)反定位安裝圖

2.1 幾何建模

需要建立的模型包括腕臂支持系統(tǒng)、吊柱、斜撐，整個結(jié)構(gòu)的幾何模型根據(jù)實際的幾何尺寸確定。除圖1標(biāo)出的參數(shù)外，其余相關(guān)參數(shù)有：跨距48 m、拉出值0.25 m、張力配置25 kN + 15 kN、吊柱長2 330 mm，平腕臂長2 300 mm，斜腕臂長1 940 mm，絕緣子長 760 mm，上下底座間距910 mm。

幾何建模的關(guān)鍵在于對結(jié)構(gòu)連接處的處理，在分析中，腕臂底座處、平斜腕臂連接處，腕臂支撐處、定位器底部、斜撐兩端等連接方式均為鉸接。鉸接在 ANSYS中以節(jié)點耦合的方式實現(xiàn)較為方便，因此在創(chuàng)建關(guān)鍵點時，應(yīng)預(yù)先考慮有限元模型中節(jié)點耦合的要求，以便實現(xiàn)對相關(guān)節(jié)點自由度的約束。

2.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型不能用于計算分析，必須將其轉(zhuǎn)化成有限元模型，生成有限元模型的方法就是對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分包括定義單元屬性、定義網(wǎng)格控制選項和生成網(wǎng)格3個步驟。

定義單元屬性是關(guān)鍵步驟，包括單元類型、實常數(shù)，材料特性、截面號等。分析中，除吊柱底部的法蘭采用實體單元 SOLID95，其余均選用二維線性有限應(yīng)變梁單元 BEAM188進行模擬，BEAM188是一個基于 Timoshenko梁理論的二節(jié)點的三維線性梁，在每個節(jié)點上有6或7個自由度，具有扭切變形效果，適宜分析細長梁，可保證仿真的準確性和精度。

模型中定位器為鋁合金材質(zhì)，密度2 790 kg/m3，彈性模量73 GPa，泊松比0.33，其余部件均設(shè)為鋼材質(zhì)，密度7 800 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.26。

采用截面CTUBE模擬腕臂、定位管、定位器及斜撐，截面CSOLID模擬連接零件，采用空心矩形截面HREC模擬吊柱。截面尺寸：腕臂管Φ60 mm×5 mm，腕臂支撐Φ34 mm×3.5 mm，定位管Φ48 mm×4 mm，定位器Φ36 mm×3 mm，吊柱160 mm×120 mm×10 mm，斜撐Φ60 mm×5 mm。

將定義好的單元屬性賦予幾何圖形元素，采用缺省的網(wǎng)格劃分控制方法劃分網(wǎng)格，生成的有限元模型如圖2所示（以斜撐內(nèi)移方案為例）。

圖2 斜撐內(nèi)移方案的有限元模型示意圖

2.3 施加荷載

約束吊柱底部和斜撐底部所有自由度，參照TB2075-2010電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件標(biāo)準中對腕臂結(jié)構(gòu)的要求，取承力索引起的水平力為3 500 N，垂直力為4 000 N，接觸線引起的水平力為4 000 N，結(jié)構(gòu)風(fēng)速參照TB 10621-2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）條文說明，取垂直線路方向和順線路方向結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速為41 m/s，將吊柱上的風(fēng)載荷按最不利于其變形情況的方向施加。進入求解器，選擇靜態(tài)分析，分別進行求解計算。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)TB 10621-2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）的規(guī)定，接觸網(wǎng)支柱在接觸線懸掛點處高度的支柱撓度不應(yīng)大于25 mm。同時還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)強度是否符合要求，吊柱和斜撐的材質(zhì)均為 Q235，根據(jù)材料力學(xué)手冊，屈服極限為235 MPa。

進入通用后處理器，查看結(jié)果，由于順線路方向的位移遠小于垂直線路方向，因此只列出垂直線路方向的位移，結(jié)果如表1所示。

表1 3種整改方案的分析計算結(jié)果表

從表1可看出，取消支撐時吊柱位移和應(yīng)力均接近許可值，因此不推薦采用該方案。加斜撐的兩方案則能滿足規(guī)范要求，具體結(jié)果見圖3所示。

從圖 3可以看出位移由吊柱底座到下端逐漸增大，而應(yīng)力在斜撐與吊柱的連接處較大。斜撐內(nèi)移方案產(chǎn)生的位移和應(yīng)力均小于上移方案，效果更好。可以得出結(jié)論：兩方案均能滿足規(guī)范要求，斜撐內(nèi)移方案效果更好，可作為推薦方案。在該項工程后續(xù)的整改中，采用了斜撐內(nèi)移方案，現(xiàn)場反饋效果良好，達到改造方案設(shè)計的目的。

圖3 加斜撐的兩方案分析計算結(jié)果云圖

3 結(jié)論

基于有限元理論，利用計算機仿真軟件對接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)進行建模和仿真分析，對于確定接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案有積極的意義。通過有限元仿真分析，能模擬靜態(tài)載荷、動態(tài)載荷等各種工況，可以選擇不同的材質(zhì)和任意幾何形態(tài)，便于全方位綜合考查結(jié)構(gòu)的性能，便捷地比較各種設(shè)計方案的優(yōu)劣，保證設(shè)計方案的準確、可靠和經(jīng)濟。

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