基于有限元的接觸網吊柱改造方案設計

古曉東，林德福，呂 波，宋 敏

0 引言

雙線隧道內接觸網支柱一般采用吊柱的形式，并輔以斜支撐。由于隧道內空間狹小，當施工誤差較大或其他因素影響時，有可能產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。在隧道內預埋件位置已經固定，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。

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

以往對類似結構分析時，為便于公式推導和手工計算，分析時常將結構做一些簡化，如忽略腕臂結構的安裝形式直接將接觸線和承力索上的載荷轉化到支柱上，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，這些均導致計算結果不準確，從而對后續的設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計，以期做到全面、準確。

1 有限元分析方法

1.1 接觸網的有限元分析

有限元法的基本思想是用分片函數去逼近原函數，即把無限自由度問題轉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，然后推導求解該域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。

接觸網系統是一個十分復雜的空間桿件系統，有限元法能針對接觸網的實際結構邊界條件及約束特性進行定量的分析計算，為設計提供豐富的、反映實際工況的計算結果，并可利用相關的仿真分析軟件提供豐富的動態圖形顯示，既直觀又準確。

1.2 ANSYS分析流程

隨著計算機技術的發展，基于有限元理論的仿真軟件逐步得到應用，其中ANSYS功能強大，易用性強，適合用于接觸網結構分析。

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格劃分工具，用戶可以方便地構造接觸網的有限元模型。分析計算模塊包括結構分析（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的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力。后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示等圖形方式顯示，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

利用ANSYS進行接觸網分析過程包括：建立接觸網的有限元模型、施加邊界條件、求解、結果分析。ANSYS軟件提供了2種操作方式，即用戶圖形界面（GUI）操作與參數化設計語言（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平臺的限制，有利于保存和交流，適用于復雜模型的分析。2種操作方式各有其優勢，因此在實際應用中可根據需要選用不同的方式進行操作。

2 實例分析

以某設計時速為250 km的工程為例，現場如圖1所示，正饋線距離斜撐距離293 mm，不滿足規范300 mm要求。由于預埋件已固定，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、吊柱、斜撐，整個結構的幾何模型根據實際的幾何尺寸確定。除圖1標出的參數外，其余相關參數有：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。

幾何建模的關鍵在于對結構連接處的處理，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中以節點耦合的方式實現較為方便，因此在創建關鍵點時，應預先考慮有限元模型中節點耦合的要求，以便實現對相關節點自由度的約束。

2.2 網格劃分

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

定義單元屬性是關鍵步驟，包括單元類型、實常數，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變梁單元 BEAM188進行模擬，BEAM188是一個基于 Timoshenko梁理論的二節點的三維線性梁，在每個節點上有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，密度2 790 kg/m3，彈性模量73 GPa，泊松比0.33，其余部件均設為鋼材質，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，采用缺省的網格劃分控制方法劃分網格，生成的有限元模型如圖2所示（以斜撐內移方案為例）。

圖2 斜撐內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電氣化鐵道接觸網零部件標準中對腕臂結構的要求，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，結構風速參照TB 10621-2009高速鐵路設計規范（試行）條文說明，取垂直線路方向和順線路方向結構設計風速為41 m/s，將吊柱上的風載荷按最不利于其變形情況的方向施加。進入求解器，選擇靜態分析，分別進行求解計算。

2.4 結果分析

根據TB 10621-2009高速鐵路設計規范（試行）的規定，接觸網支柱在接觸線懸掛點處高度的支柱撓度不應大于25 mm。同時還應考慮結構強度是否符合要求，吊柱和斜撐的材質均為 Q235，根據材料力學手冊，屈服極限為235 MPa。

進入通用后處理器，查看結果，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，結果如表1所示。

表1 3種整改方案的分析計算結果表

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

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

圖3 加斜撐的兩方案分析計算結果云圖

3 結論

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

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