25米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析論文

揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 4 日 摘 要 隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，各種大型廣場(chǎng)、車站、 公路立交橋、港口以及機(jī)場(chǎng) 等陸續(xù)建成，這些區(qū)域?qū)Υ竺娣e照明的需求推動(dòng)了高桿燈的發(fā)展。而隨著高桿燈越來越廣泛的應(yīng)用，它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本也逐漸成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。高桿燈的設(shè)計(jì)制作是多門學(xué)科交錯(cuò)滲透的綜合體 ,其深刻的機(jī)理自有著它的嚴(yán)密性和科學(xué)性。 本課題主要運(yùn)用了 ANSYS 大型商用有限元軟件，對(duì) 25 米高桿路燈燈桿結(jié)構(gòu)在風(fēng)載、雪載以及自身重力的作用下，進(jìn)行了有限元分析，得出燈桿各部件的應(yīng)力與變形的大致分布情況，分析路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)的要求。并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過進(jìn)一步減小桿壁的厚度、調(diào)整法蘭孔及螺栓尺寸、減小地基體積等方法成功地降低了高桿燈的重量與成本。 關(guān)鍵詞：高桿燈，有限元分析， ANSYS 軟件，應(yīng)力 Abstract With the development and progress of society, many of the large square, station, port and airport, highway overpasses are built,these regional demand for large area lighting to promote the development of the high pole lamp.And with the more and more extensive application of the high pole lamp, its structural strength and cost has gradually become the focus of the social concern.The designing of Lamp is a complex of the multi-discipline, its deep mechanism has its own rigor and science. This topic is using ANSYS which is the large commercial finite element software makes the finite element calculation of 25 meters high rod lamp when it under wind load, snow load and its gravity,we get the stress and deformation distribution and analyse the strength of the structure and the stiffness of the street lamp to know whether it accord with the requirements of the design.And on this basis to improve the design,by further reducing the thickness of rod wall, adjust the flange hole and bolt size, reducing the ground volume method successfully reduce the weight and cost high pole lamp. Keywords: High pole lamp， the finite element analysis, ANSYS software, stress 目錄 摘要 Abstract 第一章 緒 論 .5 1.1 引言 .1 1.2 高桿路燈的國內(nèi)外研究狀況 .4 1.3 高桿燈桿體強(qiáng)度分析以及變 形 .6 1.3.1 高桿燈桿體的力學(xué)計(jì)算 .6 1.3.2 高桿燈桿體壁厚沿桿體高度的合理布置 .9 1.3.3 桿體選用不同材料對(duì)桿體參數(shù)確定的影響 .10 1.4 高桿燈系統(tǒng)的受力分析和強(qiáng)度校核 .10 1.5 本章小結(jié) . 11 第二章 高桿燈的總體設(shè)計(jì) .12 2.1 燈桿設(shè)計(jì) .12 2.2 光源及燈具配置 .13 2.2.1 光源的選擇 .13 2.2.2 燈具的選擇 .13 2.3 燈盤及升降機(jī)構(gòu) .14 2.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與修建 .16 第三章 25米高桿路燈桿燈有限元分析的建模過程 .18 3.1 相關(guān)軟件介紹 . 18 3.1 Solid Works 簡(jiǎn)介 . 18 3.2 25 米 高桿燈的主要內(nèi)容和參數(shù) .25 3.3 ansys 軟件簡(jiǎn)介 .27 3.4 軟件模型處理過程 .27 3.5 25 米高桿燈的有限元模型 .28 3.6 解決的問題 .28 第四章 25米高桿路燈燈桿的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) .30 4.1 單一載荷下的有限元分析 .30 4.1.1 風(fēng)載 .30 4.1.2 雪載 .33 4.2 多重載荷下的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) .36 4.2.1 有限元分析 .36 4.2.2 結(jié)論分析 .40 4.2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 .41 4.2.4 優(yōu)化建議 .45 結(jié) 論 .46 參考文獻(xiàn) .47 致 謝 .46 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 1 第一章 緒 論 1.1引言 近年來 ,伴隨著國內(nèi)照明技術(shù)的不斷提高和引進(jìn)國外的先進(jìn)照明裝置 ,高桿燈照明越來越受到人們的歡迎和廣泛重視。如 1996 年 9 月完工的滬寧高速公路 ,就采用了英國的 CU 公司的照明技術(shù) ；比如 1997 年 7月完工的南京祿口國際機(jī)場(chǎng)專用高速公路也采用了英國的科藝公司的照明技術(shù)。國內(nèi)外的高桿照明技術(shù)正在向?qū)嵱没⒐δ芑姆较虬l(fā)展。燈桿由圓柱等徑向多邊形的錐體發(fā)展，燈盤結(jié)構(gòu) 由裝飾型向框架功能型發(fā)展，升降機(jī)構(gòu)由單筒向多筒發(fā)展，光源由 400W 鈉燈向 1000W 鈉燈發(fā)展 ,電器控制由人工的向時(shí)控及光控等自動(dòng)控制方向發(fā)展。除此之外 ,燈桿表面的防腐處理工藝、掛鉤結(jié)構(gòu)、電器控制等很多方面也向高技術(shù)方向發(fā)展。再比如高桿燈的桿體也正由等徑柱體加芯接式向多面錐體分段套接式方向發(fā)展，桿材也由過去的 A3 中碳鋼向 Q235A 低碳鋼方向發(fā)展。高桿燈表面防腐工藝呢，也由過去的熱噴鋁工藝向內(nèi)外熱浸鋅工藝方向發(fā)展 ,這就是是高桿照明技術(shù)的一大進(jìn)步。燈桿的焊接容積深度要大于 0.8,否則會(huì)危及使用安全。焊接的工藝適宜采 用自動(dòng)氬氣保護(hù)電弧焊或者自動(dòng)埋弧焊焊接工藝。燈桿的臂厚應(yīng)該根據(jù)使用環(huán)境條件和自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求取定 ,臂厚太厚了不經(jīng)濟(jì)、浪費(fèi)材料 ,若太薄了又不能滿足強(qiáng)度和安全要求 ,同時(shí)還要考慮到安裝、運(yùn)輸過程中的變形問題。對(duì)于國內(nèi)鋼材特點(diǎn) ,30m 以下的高桿燈桿體宜卷壓折彎成 12 邊形以下 ,因?yàn)椴贿@樣燈桿外形將失去外形輪廓美感。燈桿的內(nèi)外適宜采用熱浸鋅工藝處理 ,鍍鋅層厚度要求大于 86Lm、 610g/m2。上面述說的燈桿結(jié)構(gòu)和防腐工藝克服了傳統(tǒng)等徑柱體加芯焊接結(jié)構(gòu)的許多缺陷。比如 :接口處易生銹掛鐵銹斑跡，易生銹層層剝離 ,內(nèi)臂防腐性 能差等等。新型結(jié)構(gòu)防腐效果比較好 ,安裝也相對(duì)方便簡(jiǎn)單。 高桿燈一般是指 25米以上的大功率組合式燈架和鋼 制柱型燈桿構(gòu)成的新型的照明裝置。它是由桿體、升降機(jī)構(gòu)燈座、內(nèi)部燈具電氣、及基礎(chǔ)部分組成的 1。因?yàn)?高桿燈具有挺拔且高聳的外形和十分出色的照明效果，所以被越來越廣泛地用于城市碼頭、公路、車站、體育場(chǎng)、立交橋等很多戶外大面積的照明場(chǎng)所。 與普通路燈比較，它具有照明燈具功率大、燈具數(shù)量多、燈桿高度高、照射范圍大的特點(diǎn)。在這陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 2 些公共地方使用大型的燈具，安全性是很重要的。尤其是在一些惡劣的天氣中，有時(shí)可能會(huì)發(fā)生高桿燈的 倒塌事故，倒塌的原因大部分是高桿燈燈桿的強(qiáng)度不夠，很多廠家在進(jìn)行高桿燈的設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有進(jìn)行強(qiáng)度校核或者以低于 10 級(jí)大臺(tái)風(fēng)的要求進(jìn)行校核。有關(guān)高桿燈燈桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的驗(yàn)算，我國目前還沒有具體的詳細(xì)規(guī)范。 目前 ,在國內(nèi)安裝使用的高桿燈桿體 ,常見的有正 12棱臺(tái)型套接式和圓臺(tái)型焊接式兩種。前者是在安裝的現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)起吊 ,逐步套接安裝 ；后者呢是在安裝現(xiàn)場(chǎng)把多節(jié)圓臺(tái)型的桿體當(dāng)場(chǎng)焊接成型 ,然后整桿起吊安裝。這僅僅是表面上的區(qū)別。從抗風(fēng)荷載的本質(zhì)特性和建筑力學(xué)來分析 ,兩者抗風(fēng)荷載的情況和靜力學(xué)特征有著明顯的差異。正 12 棱臺(tái)燈桿體形 風(fēng)壓系數(shù)是 1.1464，而圓臺(tái)型燈桿體形風(fēng)壓系數(shù)才 0.8；換句話說 ,同一高度橫截積相等的兩種樣式的高桿燈 ,它們?cè)谕瑯拥娘L(fēng)速作用下 ,正 12棱臺(tái)燈桿受到的風(fēng)荷載作用力是圓臺(tái)型燈桿的 1.433 倍。在這情況下 ,為了讓這兩種造型的燈桿有相同的抗風(fēng)荷載能力和一樣的安全系數(shù) ,那么正 12 棱臺(tái)型燈桿桿體的鋼板壁厚、相同高度處的截面積、還有地腳緊固螺栓的直徑等必須比圓臺(tái)型桿體來得大 ,所以高桿燈整體耗材也大。正 12棱臺(tái)型燈桿雖然省去了安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接的麻煩 ,但是桿體間的多節(jié)套接 ,同時(shí)也增加了桿體的實(shí)際長(zhǎng)度。就比如 30m 的高桿燈 ,做成三節(jié)套節(jié)式桿體 ,實(shí)際增加的桿體長(zhǎng)度為 1.8-2.0m。增加了成本的同時(shí)又增加了自重和桿根處的負(fù)載。再者 ,正 12 棱臺(tái)套節(jié)式的燈桿各分套節(jié)成型 ,是預(yù)先裁切的鋼板料在大功率的折彎?rùn)C(jī)上彎折出 12條棱線后 ,再由自動(dòng)焊接機(jī)焊接為正 12 棱臺(tái)型分節(jié)鋼筒。鋼板在形變時(shí) ,剛度必受受損。圓臺(tái)型燈桿的桿體橫截面是一個(gè)圓 ,圓的剛度比正 12 邊形大很多 ,所以同樣截面積的圓臺(tái)型燈桿會(huì)比起正 12 棱臺(tái)型燈桿的抗風(fēng)荷載能力大。但也有人曾懷疑圓臺(tái)型的分節(jié)桿體在高桿燈安裝的過程中 ,各個(gè)分節(jié)之間的對(duì)接碰焊在抗風(fēng)荷載中的強(qiáng)度有問題。實(shí)際上 ,在各分節(jié)對(duì)接 碰焊處的桿體內(nèi) ,內(nèi)襯小段鋼環(huán) ,使它同時(shí)焊連在碰焊縫內(nèi)側(cè)的桿體上 ,然后再加上電焊燒結(jié)的理化特點(diǎn) ,碰焊縫處的剛度和強(qiáng)度會(huì)大大增強(qiáng) 2。 高桿燈的 外形形態(tài)各異， 它們的共同之處是燈盤碩大、燈桿細(xì)長(zhǎng)。作用于桿體上的力有：冰雪載荷、風(fēng)載荷、桿體自重、燈盤重量。其中，風(fēng)載荷對(duì)桿體的撓度值和應(yīng)力所起的作用最大。風(fēng)載荷是動(dòng)力載荷，有不穩(wěn)定的、穩(wěn)定的兩種。穩(wěn)定的風(fēng)可以視為靜力作用，而不穩(wěn)定的風(fēng)除產(chǎn)生靜力作用外，還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力作用。相對(duì)陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 3 于剛度大的結(jié)構(gòu)，其實(shí)風(fēng)的動(dòng)力影響很小，只考慮風(fēng)壓靜力作用即可，但對(duì)于高的燈桿結(jié)構(gòu)，由于其剛度小 ，自振頻率低，結(jié)構(gòu)容易在突發(fā)的陣風(fēng)作用下產(chǎn)生彈性振動(dòng)。對(duì)于高桿燈桿體來說，除了計(jì)算風(fēng)的靜力作用之外，還需計(jì)算風(fēng)振。燈盤的樣式對(duì)桿體的撓度、強(qiáng)度起著決定性的作用。高桿燈在風(fēng)速很大的地區(qū)安裝時(shí)，應(yīng)盡量采用迎風(fēng)面積小點(diǎn)的功能型燈盤，節(jié)省桿體的截面，從而減少桿體材料的用量，降低高桿燈生產(chǎn)成本。高桿燈的桿體比較常見的有三種主要型式：三角柱桿、梢桿、直桿。和三角柱桿相比較，三角柱桿的自重和剛度較大。梢桿和直桿的力學(xué)特性有所不同，對(duì)于具有相同桿體壁厚和相同的底部直徑的梢桿和直桿，當(dāng)它們處于各種風(fēng)速下，在桿體中產(chǎn)生的桿體的 最大撓度值和最大應(yīng)力不同。在它們的桿體中，為了減輕桿體的重量，一般是將桿體壁厚由根部到頂部逐步減小。因?yàn)闂U體過長(zhǎng)，在實(shí)際制造中，宜將桿體分成三段或四段來制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝的時(shí)候再連接在一起。各段桿體壁厚不同，其分布按桿體的分段自然形成。在桿體的設(shè)計(jì)過程中，其強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)，一般采用增加桿體壁厚或增大桿體根部直徑這兩種方法 3。 一般來說 ,在港口、高速公路的露天站口、在海島等氣候條件比較差以及自然地理環(huán)境復(fù)雜的地域 ,適合選用圓臺(tái)形型焊接燈桿。在市內(nèi)廣場(chǎng)、大院之內(nèi)的高桿燈 ,由于場(chǎng)地風(fēng)速較小 ,場(chǎng)地的四周建筑不方 便整根燈桿同時(shí)起吊安裝 ,就可以采用正 12棱臺(tái)型套節(jié)燈桿。綜合高桿燈設(shè)計(jì)制作個(gè)例和高層建筑 (30 米以上的高桿燈視為高層建筑處理 )的有關(guān)文獻(xiàn)資料 ,燈桿的造型以圓臺(tái)形為佳 ,也可以做成正十二棱臺(tái)形。正十二棱臺(tái)形的風(fēng)阻系數(shù)為 0.96,圓臺(tái)形的桿體風(fēng)阻系數(shù)為 0.8,且桿體截面積一樣的正多邊棱臺(tái)形和圓臺(tái)形桿體相比 ,風(fēng)阻系數(shù)大。但正十二棱臺(tái)形桿體適宜做成套接式 ,從而省去了各節(jié)燈桿之間的焊接 4。 總的來說，國內(nèi)高桿照明技術(shù)漸漸走向成熟 ,由于目前國家并沒有頒布規(guī)范的高桿照明技術(shù)相關(guān)細(xì)節(jié) ,很多城市的高桿燈存在問題，比如燈盤的 外觀與周圍環(huán)境極不相稱、不能滿足高桿照明的功能性和裝飾需求、光源燈具的配置不合理、燈桿內(nèi)外表面防腐處理工藝差、運(yùn)行存在安全和質(zhì)量隱患 ,事故頻發(fā)等等。 基于這種情況，本課題以 ANSYS 軟件為主要工具，對(duì) 25 米的高桿路燈燈桿在風(fēng)載、雪載和自身重力作用下進(jìn)行有限元分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 4 1.2 高桿路燈的國內(nèi)外研究狀況 高桿照明是指照明的裝置安裝高度大于 20 米的桿狀照明設(shè)備 ,近年來，由于它采用了新光源 ,以及在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn) ,在國外應(yīng)用正逐漸擴(kuò)大 ,目前除了常用汽車停車場(chǎng)、廣場(chǎng)、公路交叉區(qū)作大面積照明外 ,也漸漸用 于商業(yè)區(qū)街道、自來水廠、鐵路編組場(chǎng)等處。在國內(nèi) ,高桿照明雖然近年來、有采用 ,但例子少 ,偶而用作汽車停車場(chǎng)或者廣場(chǎng)體育場(chǎng)照明。 國外運(yùn)用概況： 汽車停車場(chǎng)照明：邁阿密國際機(jī)場(chǎng) 1978 年客運(yùn)量超過 160。萬人次，其汽車停車場(chǎng)可容納 47000 輛汽車。該機(jī)場(chǎng)原設(shè)有 398 根普通高度的照明桿，每桿裝有 2只40。瓦水銀燈，其中停車場(chǎng)占 250 根，這為數(shù)可觀的電桿不僅縮小停車場(chǎng)面積，影響美觀，而且照明質(zhì)量差，有陰影和暗區(qū)，維修困難，費(fèi)用亦大。 1976 年后機(jī)場(chǎng)決定采用高桿照明 (圖 1-1)，桿高 30.5 米 (100 英尺 )，間距 30.5 米，每桿頂部安裝一組包括 6只 1000 瓦金屬鹵化物燈的照明裝置，成功地對(duì) 155500 米： (2000000 英尺2)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了均勻照明，測(cè)得的最小地面照度達(dá) 53.8 勒 (lx)，這樣，機(jī)場(chǎng)及停車場(chǎng)的面貌煥然一新，行車也增加了安全性。 圖 1-1 邁阿密國際機(jī)場(chǎng)停車場(chǎng)的高桿照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 公路交叉區(qū)照明：高桿照明有照明面積大、炫光低、照度均勻等優(yōu)點(diǎn)，在美國陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 5 用作公路交叉區(qū)照明。俄亥俄州阿克郎商業(yè)區(qū)的公路交叉區(qū)，采用了每桿帶有 4個(gè)1000 瓦金屬鹵化物燈并且設(shè)有升降裝置的高桿照明，設(shè)計(jì)采用了對(duì)稱、不對(duì)稱 的桿射器。 鐵路編組場(chǎng)照明：美國路易斯維爾樞紐站新建的自動(dòng)化調(diào)車場(chǎng)采用了 36根高桿照明 ,桿高 15.3、 30.5 米 ,桿距 252.4-182.9 米 ,每桿裝有 12 只 1000 瓦的金屬鹵化物燈 ,調(diào)車場(chǎng)長(zhǎng) 6.436 公里 ,最寬處約 305 米 ,高桿照明使緩行器區(qū)和調(diào)車場(chǎng)分別達(dá)到54 勒 .21 勒的總照度水平。借助高桿內(nèi)的提升纜索及其上的燈盤可降至地面進(jìn)行清理和更換燈泡。美國南方鐵路系統(tǒng)斯彭塞編組場(chǎng)占地 1.52 平方公里 ,采用了高桿照明與普通高度相結(jié)合的照明方式 ,全部采用高壓鈉燈。設(shè)計(jì)中包括 18 座高度為 30.5、36.6米的高桿照明 ,其上采用 1000瓦照明裝置 ,此外再以編組場(chǎng)周圍電桿上的 250瓦路燈照明作為補(bǔ)充 ,獲得的全場(chǎng)平均水平照度為 11勒 ,平均照度與最小照度之比 4:l,炫光很低 ,電能相當(dāng)節(jié)約 ,照明消耗功率低于 0.22 瓦每平方米。該設(shè)計(jì)曾獲美國 1980年地區(qū)性照明設(shè)計(jì)獎(jiǎng)和 Edwin.F.Gut 五功績(jī)紀(jì)念獎(jiǎng)。 日本京王線路線的調(diào)布車站南口廣場(chǎng)上，出現(xiàn)了一盞使用太陽能的路燈。這盞路燈是京都的一家專門廠商研制的。它的結(jié)構(gòu)是：在高驪的燈桿頂上裝兩塊聚熱板(57cm 80cm)，它們白天吸收太陽能，為太陽電池充電。天暗下來后，開始自動(dòng)通電，點(diǎn) 亮 20瓦的熒光燈。電池的能力是，暗天時(shí)，每天可儲(chǔ)蓄供 24小時(shí)用的電能。這盞路燈的壽命長(zhǎng)，可以使用 10 年以上，不需調(diào)換。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在發(fā)生災(zāi)害而停電時(shí)，也能使用。 國內(nèi)運(yùn)用概況： 廣場(chǎng)照明： 1975 年建成的上海體育館，其正門入口處廣場(chǎng)采用了 2 座高桿照明，桿高 30 米，桿距 100 米，其外形如圖 1-2。桿上套有可動(dòng)式燈盤，上設(shè) 18 只 100。瓦鈉蛇錮燈，燈桿下部為地下機(jī)房，藉機(jī)房?jī)?nèi)的卷揚(yáng)電動(dòng)機(jī)通過桿內(nèi)鋼索控制燈盤升降，照明電源由地下機(jī)房通過桿內(nèi)送至桿頂再借助軟電纜送至燈盤，軟電纜可隨盤升降，當(dāng)上升至頂盤 時(shí)，電纜圍盤在燈盤上，當(dāng)需要更換燈泡或維修線路時(shí)，軟電纜及燈盤可下降至離地 l米左右，以便在地面維修。 停車場(chǎng)照明：上海公交汽車六場(chǎng)的停車場(chǎng)占地 2萬平方米，采用了 l 座高桿照明就獲得了所需照度。桿高 28 米上設(shè) LD 一 400 日光色摘燈 20 只，桿下的地下機(jī)房陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 6 內(nèi)有 4 千瓦電動(dòng)機(jī)一臺(tái)，以控制燈盤升降。它與上海體育館的一個(gè)不同之處，為電源不以軟電纜引至燈盤，而是通過燈桿內(nèi)壁的固定配線將機(jī)房?jī)?nèi)的電源引至頂蓋上的靜觸頭，當(dāng)燈盤上升至桿頂，燈盤上的動(dòng)觸頭與頂蓋上的靜觸頭接觸時(shí)，接通電源 .據(jù)估計(jì)，如用普通路燈代替則需 32 根電桿，桿上 裝設(shè) 1000 瓦高壓水銀燈或設(shè) 40。瓦日光色摘燈，用電量為 12.8、 32千瓦，而高桿照明僅為 8千瓦。 我國北京華基電腦公司研制出一太陽能為能源的系列路燈。太陽能路燈是由光電板、儲(chǔ)能電池、燈具、控制系統(tǒng)和安裝桿等五部分組成，白天用太陽能板吸收光能，給蓄電池充電，晚上則自動(dòng)使等發(fā)光。 圖 1-2 上海體育館入口處廣場(chǎng)的高桿照明 1.3 高桿燈桿體強(qiáng)度與撓度分析以及變形 1.3.1 高桿燈桿體的力學(xué)計(jì)算 1、計(jì)算內(nèi)容 1）桿體強(qiáng)度：桿體的最大應(yīng)力及其所處的位置。 2）桿體撓度：桿體的最大撓度。當(dāng)在高桿燈上安 裝攝像頭時(shí)，還需計(jì)算攝像頭安裝處的撓度。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 7 3）桿體根部受力：桿體根部的垂直力、水平力、彎矩。 4）桿體的自振周期 2、風(fēng)速的選取 高桿燈一旦在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢，就常年處于工作狀態(tài)。在進(jìn)行桿體的力學(xué)計(jì)算時(shí)，風(fēng)速應(yīng)選取高桿燈安裝所在地區(qū)的最大風(fēng)速。當(dāng)高桿燈上安裝有攝像頭時(shí)，還需計(jì)算攝像頭工作時(shí)的最大風(fēng)速情況下桿體在攝像頭安裝處的撓度。 3、高桿燈桿體的受力 作用于桿體上的力有：桿體自重、燈盤重量、冰雪載荷、風(fēng)載荷。這其中，風(fēng)載荷對(duì)桿體的應(yīng)力與撓度值所起的作用最大 8。 風(fēng)載荷是一種動(dòng)力載荷，有穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種 。穩(wěn)定的風(fēng)可視為靜力作用，不穩(wěn)定的風(fēng)除產(chǎn)生靜力作用外，還產(chǎn)生動(dòng)力作用。對(duì)于剛度大的結(jié)構(gòu)，風(fēng)的動(dòng)力影響很小，可只考慮風(fēng)壓靜力作用，但對(duì)于高聳的燈桿結(jié)構(gòu)，由于剛度小，自振頻率低，在突發(fā)的陣風(fēng)脈動(dòng)作用下，易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性振動(dòng)。因此，對(duì)于高桿燈桿體來說，除計(jì)算風(fēng)的靜力作用外，還需計(jì)算風(fēng)振 9。 高聳結(jié)構(gòu)在風(fēng)振時(shí)的風(fēng)載荷計(jì)算公式如下： AqKCFh (N) 其中： 與結(jié)構(gòu)型式和自振周期有關(guān)的風(fēng)振系數(shù)； C 風(fēng)載體型系數(shù)； hK 風(fēng)壓高度變化系數(shù)； q 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓 （ Pa ） ； A 結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積（ 2m ）； （注：風(fēng)壓 q與風(fēng)速 v 的關(guān)系式為：6.12vq （ Pa ），風(fēng)速 v 的單位 m/s）。 4、高桿燈燈盤型式對(duì)桿體強(qiáng)度、撓度的影響 由于造型和照明功能上的不同要求，高桿燈的燈盤具有很多型式。常見的 形式有：功能型、單面照型、框架型、牽?；ㄐ汀Ｓ蓤D 3可看出，各種型式燈盤的迎風(fēng)面積是不同的。雖然燈盤的迎風(fēng)面積與燈具的個(gè)數(shù)、每個(gè)燈具的迎風(fēng)面積、燈具陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 8 支撐結(jié)構(gòu)架 的迎風(fēng)面積有關(guān)，但從總體上來說，功能型燈盤的迎風(fēng)面積最小，單面照型燈盤的迎風(fēng)面積最大，框架型和牽?；ㄐ蜔舯P的迎風(fēng)面積相近，均僅次于單面照型燈盤。燈盤上的風(fēng)載荷位于桿體的頂端，因此其風(fēng)載高度系數(shù)大、相對(duì)桿體根部的力臂大，對(duì)桿體的應(yīng)力、撓度的影響也很大。為了比較不同型式的燈盤對(duì)桿體強(qiáng)度與撓度的影響程度，分別對(duì)安裝有功能型燈盤和單面照型燈盤的燈桿進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)單面照型燈盤的迎風(fēng)面積為功能型燈盤的迎風(fēng)面積的 4倍時(shí)，前者燈桿中的最大應(yīng)力約為后者的 1.75倍，最大撓度約為后者的 1.82倍 10。 由上可 知，燈盤的型式對(duì)桿體強(qiáng)度和撓度起著決定性的因素。當(dāng)高桿燈安裝在風(fēng)速很大的地區(qū)時(shí)，應(yīng)盡量采用迎風(fēng)面積小的功能型燈盤，以節(jié)省桿體的截面，進(jìn)而減少桿體鋼材的用量，降低高桿燈的生產(chǎn)成本 6。 5、高桿燈桿體型式對(duì)桿體強(qiáng)度、撓度的影響 高桿燈桿體常見的主要型式有三種：梢桿、直桿、三角柱桿。梢桿的根部直徑大于頂部直徑；直桿的根部與頂部直徑相同；三角柱桿為空間桁架結(jié)構(gòu)，主肢為三根布置在三角型截面上的直桿，中間用橫桿連綴。上述三種型式的桿體由于自身的特點(diǎn)，它們的迎風(fēng)面積、風(fēng)載荷、剛度、自重均不相同，如表 1-1所示。其中三 角柱桿的剛度在三種型式的桿體中最大，因此它適用于風(fēng)速大的地區(qū)，或者適用于對(duì)高桿燈撓度要求高的場(chǎng)合。與三角柱桿相比較，梢桿和直桿的自重和剛度均較小。但梢桿和直桿的力學(xué)特性又有所不同。對(duì)于具有相同底部直徑、相同桿體壁厚的梢桿和直桿，當(dāng)處于各種風(fēng)速時(shí)，在桿體中產(chǎn)生的最大應(yīng)力及桿體的最大撓度值不同。以 35米牽?；ㄐ蜕凳礁邨U燈為例，梢桿和直桿的基本參數(shù)如下： 梢桿：燈桿下口徑為 700mm，上口徑為 420mm，壁厚從燈桿底部至頂部依次為 12mm、 10mm、 8mm、 6mm。燈盤與燈具的迎風(fēng)面積為 3.5 2m ，燈桿迎風(fēng)面積為 19.6 2m ，燈盤加燈具的重量約為 7000N，燈桿的重量為 5000N，燈盤直徑為 4500mm，燈盤高度為 1500mm。 直桿：燈桿下口徑為 700mm，上口徑為 700mm，壁厚從燈桿底部至頂部依次為 12mm、10mm、 8mm、 6mm。燈盤與燈具的迎風(fēng)面積為 3.5，燈桿迎風(fēng)面積為 24.8，燈盤加燈具的重量約為 7000N，燈桿的重量為 60000N，燈盤直徑為 4500mm，燈盤高度為 1500mm。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 9 表 1-1 梢桿、直桿、 三角柱桿各項(xiàng)性能指標(biāo)等級(jí)對(duì)比表 桿體形式 迎風(fēng)面積 風(fēng)載荷 剛度 自重 梢桿 最小 最小 最小 最小 直桿 中等 中等 中等 中等 三角柱桿 最大 最大 最大 最大 梢桿和直桿的最大應(yīng)力和最大撓度對(duì)比值參見表 1-2。 由于直桿的桿體迎風(fēng)面積與自重均較梢桿大，因此其最大應(yīng)力比梢桿的最大應(yīng)力大，但其剛度也比梢桿大。直桿可用于對(duì)剛度要求較高的場(chǎng)合，如安裝有攝像頭的燈桿。 表 1-2 梢桿、直桿最大應(yīng)力和最大撓度對(duì)比表 風(fēng)速 風(fēng)力等級(jí) 梢桿最大應(yīng)力 直桿最大應(yīng)力 梢桿對(duì)大撓度 直桿最大撓度 （ m/s） （ Kg/cm2） （ Kg/cm2） （ cm） （ cm） 7.9 四級(jí)風(fēng) -105 -124 6.3 4.9 13.8 六級(jí)風(fēng) -293 -346 20.0 15.7 16.0 七級(jí)風(fēng) -385 -454 26.7 20.9 20.7 八級(jí)風(fēng) -632 -745 44.6 35.1 33.0 十二級(jí)風(fēng) -1574 -1858 113.2 89.2 1.3.2 高桿燈桿體壁厚沿桿體高度的合理布置 在梢桿或直桿的桿體中，為減輕桿體重量，通常將桿體壁厚由根部到頂部逐步減薄。 由于桿體過長(zhǎng)的原因，高桿燈在實(shí)際制造中，將桿體分為三段或四段制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)再連接在一起。每段桿體具有不同的壁厚，亦即壁厚的分布按桿體的分段自然形成。 在桿體的有限元計(jì)算中，當(dāng)桿體壁厚分布位置欠佳時(shí)，桿體中的最大應(yīng)力并非出現(xiàn)在桿體根部，而是發(fā)生在桿體上的某一薄弱斷面 6。 以 30m高桿燈的桿體強(qiáng)度計(jì)算為例：燈桿為梢桿，下口徑為 650mm， 上口徑為陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 10 350mm，壁厚從燈桿底部至頂部依次為 12mm、 10mm、 8mm，燈盤與燈具的迎風(fēng)面積為3.5m2，燈桿迎風(fēng)面積為 15.0m2，燈盤加燈具的重量為 7000N，燈桿的重量為 37000N。 俞曉紅等 7采用了有限元程序計(jì)算高桿燈在其自重及風(fēng)力（六級(jí)風(fēng)， 13.8m/s）影響下的桿體強(qiáng)度。計(jì)算可知桿體內(nèi)最大應(yīng)力為 -25.04 PaM ，出現(xiàn)在桿體根部稍上位置，而桿體根部的的應(yīng)力為 -22.11MPa。 以上結(jié)果表明，當(dāng)桿體壁厚自下到 上呈階梯狀分段分布時(shí)，桿體內(nèi)的最大應(yīng)力并非像只有一種壁厚的桿體那樣出現(xiàn)在桿體的根部，而是出現(xiàn)在其它的薄弱截面上。當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象且桿體內(nèi)的最大應(yīng)力與根部的應(yīng)力值相差較大時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)整桿體的壁厚分布。 1.3.3 桿體選用不同材料對(duì)桿體參數(shù)確定的影響 桿體材料通常選用碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235和低合金結(jié)構(gòu)鋼 16Mn，它們的力學(xué)性能如表 3所示。 表 3 Q235與 16Mn力學(xué)性能對(duì)比表 16Mn鋼的綜合力學(xué)性能、焊接性能良好。與 Q235鋼相比，強(qiáng)度提高近 50%，耐大氣腐蝕能力提高 20 38%，而市場(chǎng)價(jià)格很接 近 11。 在桿體設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)桿體的強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)，通常采用加大桿體根部直徑或增加桿體壁厚這兩種方法。這是因?yàn)樵诩哟蟾恐睆降耐瑫r(shí)，也加大了桿體的迎風(fēng)面積，除非根部直徑的增加幅度很大，才能收到預(yù)期效果。在風(fēng)速高、桿體高度大、燈盤迎風(fēng)面積大的應(yīng)用場(chǎng)合下，較為理想的方法是選用 16Mn鋼，即可減小桿體的壁厚、減輕桿體的重量，又可降低制造成本。 1.4 高桿燈系統(tǒng)的受力分析和強(qiáng)度校核 整個(gè)照明系統(tǒng)的受力分析和強(qiáng)度效核是一個(gè)十分有必要的過程，同時(shí)也是合理利用資源的表現(xiàn)。因?yàn)樵谡麄€(gè)路燈照明系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu) 所受的外力大部分是風(fēng)力作用陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 11 在燈盤組件迎風(fēng)面所產(chǎn)生的壓力和作用在燈桿的彎矩應(yīng)力。高桿照明系統(tǒng)的受力分析和強(qiáng)度效核按照整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力作用主要分為幾大部分：第一部分是燈盤組件安裝支架的抗風(fēng)受力；第二是底座法蘭的焊縫處抗拉受力；第三部分是組件安裝架受力所產(chǎn)生在燈桿部分的結(jié)構(gòu)受力，也就是燈桿部分的的受力。 1.5 本章小結(jié) 本章 對(duì)高桿燈的國內(nèi)外研究狀況、研究?jī)?nèi)容、研究方法作了簡(jiǎn)單的介紹。并且討論了高桿燈壁厚、壁型的選擇問題以及材料等因素對(duì)高桿燈受力、強(qiáng)度撓度的影響。總結(jié)了過去的研究成果，給出了本文研究的內(nèi)容。 既運(yùn)用 ANSYS 軟件對(duì)各種載荷下的高桿燈進(jìn)行有限元分析，并且研究了多重載荷下高桿燈的受力狀況和強(qiáng)度撓度分析。通過計(jì)算得到各個(gè)部件的受力分布云圖等，進(jìn)一步分析來優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)和地基大小及桿壁厚薄，從而得到符合要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 12 第二章 高桿燈的總體設(shè)計(jì) 2.1 燈桿設(shè)計(jì) 燈桿的整體設(shè)計(jì)時(shí) ,必須以風(fēng)荷載計(jì)算為依據(jù)。參照高桿燈安裝現(xiàn)場(chǎng)所在地區(qū)的50 年一遇的最大風(fēng)速下 ,所經(jīng)受到的最大風(fēng)荷載作用 ,(個(gè)別地方 ,還須考慮周圍氣霧的影響 ) 復(fù)核計(jì)算擬定的高桿燈桿根處應(yīng)承受的總風(fēng)荷載彎 矩 (也叫傾覆力矩 ) 及各分節(jié)桿體的力學(xué)特征 ,同時(shí)更應(yīng)該測(cè)算高桿燈底板的直徑和底板上地腳緊固螺栓孔的個(gè)數(shù) ,以及螺栓孔中心圓的直徑 ,這里必須整體把握好以下個(gè)幾個(gè)主要指標(biāo)： 燈桿的整體斜率 tg ,一般控制在 0. 0055 0. 007 為宜。燈盤的直徑和自重越大 , tg 的值越接近上限值。 桿根處鋼材的安全系數(shù)不得小于 1. 64 ,且自桿稍處向下各節(jié)的安全系數(shù)呈現(xiàn) 1 2 n 1. 64。 整基高燈地上部 分的重心在最大風(fēng)荷載作用的位移應(yīng)小于桿根處的底板半徑。 上述三項(xiàng)指標(biāo)總的體現(xiàn)在各節(jié)桿體的壁厚和燈桿的整體斜率 tg 上。壁厚過大 ,其實(shí)并不一定牢固。因直接造成的燈桿自重大幅度增加 ,使基礎(chǔ)的負(fù)荷也陡增 ,同時(shí)高桿燈經(jīng)受最大風(fēng)荷載時(shí)的傾覆力矩也同時(shí)增大。且對(duì)制作成本、運(yùn)輸安裝、基礎(chǔ)建造都會(huì)帶來諸多不利 ；而整體斜率過小 ,整基高桿燈穩(wěn)度不夠。 tg 無論過大、過小 ,還影響到整體造型的美觀。所以燈桿的整體斜率 tg 、各分節(jié)桿體的壁厚 ,上、下端口徑的選擇是以桿高 ,燈盤的大小、重量 ,抗最大風(fēng)速 ,鋼材的安全系數(shù)及整基高桿燈的穩(wěn)定度而決定的。我們知道的高桿燈整體強(qiáng)度與外形、材料等因素有關(guān)，合理調(diào)整這些因素，可以有效提高燈桿的整體強(qiáng)度。如燈桿截面形狀可以采用階梯式的截面體，多面棱柱，橢圓形等多種形式或加大燈桿的橫截面積，減少燈盤荷載 (燈具的數(shù)量 )都以影響燈桿的整體強(qiáng)度。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 13 2.2 光源及燈具配置 2.2.1 光源的選擇 高壓鈉燈的光效高，可達(dá) 120-140LM/W，壽命長(zhǎng) 18000(國產(chǎn) ) 24000(進(jìn)口 )h，透霧性好，只是顯色指數(shù)低 Ra=25；低壓鈉燈的光效也高，但國內(nèi)用得少 ；高壓汞燈光效低，僅 30-4OLM/W，已逐漸不用了 ；金鹵燈光效高，顯色指數(shù)高，但壽命比鈉燈短近一半，也貴得多，所以在路燈中用得少，為提高誘導(dǎo)性，我認(rèn)為可在重要的交叉路口用一點(diǎn)。 2.2.2 燈具的選擇 燈具的選擇應(yīng)根據(jù)照明水平，眩光控制的要求和配光特性來選擇。選擇燈具還應(yīng)注意以下幾點(diǎn) : 1)盡可能選擇一體化燈具，即鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容器都安裝在燈具內(nèi)，以避免鎮(zhèn)流器等配件被盜。最重要的是應(yīng)選擇配光曲線好，效率高的產(chǎn)品，好燈具的效率 高，好燈具每公里使用的數(shù)量在相同照明水平上要比效率差的燈具少用很多，雖單價(jià)高些，但節(jié)省了燈桿及附屬設(shè)施，從節(jié)能、維修費(fèi)等運(yùn)行費(fèi)上也可以節(jié)省，所以每公里綜合造價(jià)并不會(huì)高，即性價(jià)比高。 2)防護(hù)等級(jí)要高。湖南雨量充足，雨季也長(zhǎng)，一般應(yīng)在 IP64 及以上為宜，前面的 6代表塵密，即無塵埃進(jìn)人，用久了燈底部不會(huì)有一層黑一灰塵和小沙蟲的沉積，后面的 4 表示防濺水，任何方向?yàn)R水無有害影響。有關(guān)防護(hù)等級(jí)的分類可見國標(biāo) GB7001-86 燈具外殼防護(hù)等級(jí)分類。 3)外殼顏色與燈桿及外部環(huán)境協(xié)調(diào)。 4)一條道路最好統(tǒng)一用一種型號(hào)式樣的燈具， 即作到一街一景，除美觀外，也起到提高方向誘道性的作用。 光源和燈具的選擇是高桿照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以單基高桿燈照明為例，地面平均照度 E 由下式計(jì)算： A KUNE S 式中： S 燈具內(nèi)光源的光通量； 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 14 燈具光束效率，一般取 0.30.7； N 投光燈具數(shù)量； U 投光燈具效率，一般取 0.450.8 K 維護(hù)系數(shù)，取 0.650.75； A= R2； R 投光照明半徑。 2.3 燈盤及升降機(jī)構(gòu) 燈盤是高桿燈的一燈之冠 ,優(yōu)美得體的燈盤不僅可以減輕對(duì)燈桿的風(fēng)荷載負(fù)荷 ,而且與周圍建筑物的諧和也是現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的一道風(fēng)景線?；诟邨U燈的安裝使用場(chǎng)合之別 ,燈盤有滿足照明需求的功能型及造型各異的裝飾型兩類。無論哪種類型、款式的燈盤 ,從風(fēng)荷載計(jì)算 ,還是使用實(shí)踐來看 ,燈盤的直徑能小則小 ,漏空系數(shù)能大則大。這樣 ,燈盤所受的風(fēng)荷載作用就小 ,對(duì)桿體和基座的威脅也小。當(dāng)高層建筑所受的風(fēng)荷載或外力作用時(shí)的傾覆力矩超出建筑物自重形成的穩(wěn)定力矩時(shí) ,建筑物有傾倒的危險(xiǎn) 1。為了保證穩(wěn)定力矩大于有可能的傾覆力矩 ,防止傾倒現(xiàn)象 ,高桿燈在設(shè)計(jì)時(shí) ,應(yīng)控制其寬高之比。為此 ,即使對(duì)于被照區(qū)域的照明半徑大、照度要求高、布燈多的高桿燈 ,設(shè)計(jì)時(shí)燈盤的直徑一般不要大于桿高的 1/7；當(dāng)燈盤的直徑大于燈桿高度的 1/6 時(shí) ,應(yīng)適當(dāng)放大桿體的外徑或增大桿體的斜率 tgA ,也可同時(shí)稍微增加桿根部這一分節(jié)的壁厚 。對(duì)于布燈盞數(shù)大于 20 的 (單燈功率 P1000 W),且直徑在 5 m左右的又重又大燈盤 ,盡可能分解設(shè)計(jì) ,使卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)只提升裝置燈具的一部分燈盤 ,另一部分燈盤固定在燈桿的桿頂上 ,從而可減小提升負(fù)荷。就燈盤的造型而言 ,蘑菇形、牽?；ㄐ?、盤花形、 飛碟型等款式的燈盤成為主流。值得一提的飛碟形燈盤 ,它不僅巧妙地集功能型和視覺審美于一體 ,把照明燈具封閉在整體燈盤內(nèi) ,并有效地保護(hù)了燈具 ,且整體的流線型造型 ,使它懸掛在桿頂受到一個(gè)向上的舉力 ,(此舉力固然小于燈盤的重力 ),從而也減小了傾覆力矩 ,當(dāng)然也減輕了桿體和基座的 負(fù)荷。由于一體化照明燈具在高桿燈上 ,為燈盤款式的設(shè)計(jì)拓展了創(chuàng)新的空間。其最大的優(yōu)勢(shì)就是燈盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷明快 ,陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 15 風(fēng)荷載作用時(shí)受風(fēng)面小 ,還適宜選用一體化燈具。 燈盤的升降系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)齒滑軸組組成的卷揚(yáng)機(jī)組。卷揚(yáng)機(jī)組電動(dòng)升降燈盤的過程和燈盤上照明燈具自動(dòng)啟閉都離不開電氣控制。這兩部分的自動(dòng)控制電路組合在一起成為高桿燈的電器控制系統(tǒng)。 卷揚(yáng)機(jī)的主結(jié)構(gòu)見圖 2-1。設(shè)計(jì)制作的指導(dǎo)思想為 :整機(jī)裝置主桿體內(nèi) ,小巧玲瓏 ,提升燈盤時(shí)力所能及且運(yùn)輸自如。電動(dòng)機(jī)宜選擇 4P慢轉(zhuǎn)速的 ,因輸出力矩相對(duì)快 ,轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)大。在選擇 功率上避免大牛拉小車的的現(xiàn)象 ,有些高桿燈在初次提升燈盤時(shí)就發(fā)生沖頂?shù)目膳率鹿?,這除電器控制設(shè)置欠妥或失靈外 ,跟電動(dòng)機(jī)功率過大也不無關(guān)系。 圖 2-1 卷揚(yáng)機(jī)主結(jié)構(gòu)圖 卷揚(yáng)機(jī)的各組成機(jī)械間的動(dòng)力傳遞則應(yīng)符合傳遞力學(xué)的原理。即前級(jí)機(jī)械輸出的力和力矩必須大于后級(jí)機(jī)械正常運(yùn)作的力和力矩 ,以及損耗。利用動(dòng)滑輪省力不省功的原理 ,在許可的燈盤提升時(shí)間、減速機(jī)能承受的輸出力矩之內(nèi)可大幅度銳減電動(dòng)機(jī)的輸出功率。選擇具有自鎖功能的減速機(jī) ,使升降系統(tǒng)在運(yùn)行過程中 ,因突發(fā)意外或保證燈盤在桿體的任何高度穩(wěn)妥穩(wěn)定便于桿體外圍實(shí)施防 護(hù)處理時(shí) ,減速機(jī)能迅速自行鎖定。 電器控制及其它問題： 高桿燈內(nèi)主電纜要求采用 YC 型重型橡套電纜，一般為 2根分別供應(yīng)燈盤 2組電源， 一組為全夜燈，另一組為半夜燈。電纜截面一般選用 5(4) 4mm2以上；燈盤上燈具至分線盒的連接線一般選用 3(2) 2.5mm2以上 YZ型中型橡套電纜。燈盤上同時(shí)設(shè)置一只專用維修接線盒，內(nèi)設(shè)專用維修電纜子母插座。高桿燈桿內(nèi)電纜通過電纜陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 16 專用子母插頭與電器控制盒連接，使安裝維修極為方便。目前為節(jié)約高桿燈的投資費(fèi)用，一般一基高桿燈只設(shè)一根電力電纜供電，電力電纜可穿管或直埋敷設(shè)接至配電房 內(nèi)低壓照明配電柜供電控制。桿內(nèi)電器控制盒一般由：兩路分別控制的電源開關(guān)、高桿燈障礙燈開關(guān)、半夜燈時(shí)控開關(guān)、專用維修插座、升降機(jī)構(gòu)開關(guān)等組成。低壓照明配電柜中設(shè)有光控開關(guān)。 高桿燈電源供電電力電纜因高強(qiáng)度氣體放電燈的回路工作特點(diǎn)如所有光源不可能同時(shí)啟動(dòng)、 L 鎮(zhèn)流或 LC 鎮(zhèn)流的諧波成份使三相供電不可能平衡等要求采用等截面電力電纜供電。高桿燈桿頂設(shè)有避雷針與桿體及地基接地網(wǎng)可靠電氣連接，確保防雷接地的接地電阻小于 10。 2.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與修建 高桿燈的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和修建的最根本標(biāo)準(zhǔn)是保障其在經(jīng)受安裝地區(qū)的最大風(fēng)荷載作 用及該地區(qū)有可能發(fā)生的相當(dāng)級(jí)別的地震中不發(fā)生傾倒。 高桿燈底板的地腳緊固螺栓 ,安裝使用后的高桿燈在經(jīng)受最大風(fēng)荷載作用或相當(dāng)級(jí)別的地震時(shí)尚能處于平衡狀態(tài)，其時(shí)對(duì)桿根處來說，必然存在一個(gè)抗傾覆力矩 M2，且在量值上大于等于高桿燈經(jīng)受到的外力傾覆力矩 M1。 設(shè)此時(shí)高桿燈所受的外力 nF ，高桿燈的重力 G。高桿燈在外力作用下產(chǎn)生傾覆趨勢(shì)所帶來的重力的分力 nG ， 基礎(chǔ)的承受力 Q，這些力的合力 F=0。同時(shí)，高桿燈底板的地腳緊固螺栓的共同作用，產(chǎn)生了抗傾覆力矩 M2。且 | M2|=| M1|其合力矩 M=0。顯然，地腳緊固螺栓是高桿燈在抗風(fēng)荷載中維持平衡狀態(tài)的主要保障。那么高桿燈基礎(chǔ)修建，預(yù)埋地腳緊固螺栓的直徑、長(zhǎng)度、鋼材的材質(zhì)和預(yù)埋方式可由上述原理和關(guān)系式來測(cè)算。 高桿燈的混凝土地下基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)建造依據(jù)是：整基高桿燈地上部分的總重 G0，測(cè)算預(yù)計(jì)的地下混凝土基礎(chǔ)的重量 G1，以及高桿燈在該安裝現(xiàn)場(chǎng)有可能遇到的最大風(fēng)荷載作用 (或相當(dāng)級(jí)別的地震所引起 )的傾覆力矩 M，地下混凝 土基礎(chǔ)所能產(chǎn)生的抵抗力矩 W。在量值上且 W M1。而同時(shí)兼顧的依據(jù)是高桿燈安裝現(xiàn)場(chǎng)的地基承載值 P0， G1和 G0對(duì)基礎(chǔ)底面的共同作用所產(chǎn)生的平均壓強(qiáng) P，而且 PP0。地下基礎(chǔ)邊緣有可能產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)maxP， (maxP=P+ M1W； W 基礎(chǔ)抵抗力矩 )，且小于基礎(chǔ)承載值 P0的 1.2 倍。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 17 例如：某高桿燈地上部分的總重量 G0=56.36 kN ，有可能經(jīng)受的最大風(fēng)荷載彎矩 M=555.66 mkN. (假設(shè)該地相當(dāng)級(jí)別的地震引起傾覆彎矩小于 M)。地下混凝土基礎(chǔ)的測(cè)算重量 G1=1 022.4 kN ，能產(chǎn)生的抵抗力矩 mkNM 74.10 ，地基承載值勘測(cè)為 90 2/mkN 。則： G0和 G1對(duì)底面積為 4.5 4.5(m2)的混凝土基礎(chǔ)底面下地基的平均壓強(qiáng) P=(56.36+1 022.4)/4.52=53.27 2/mkN 90 2/mkN 。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 18 第三章 25 米高桿路燈桿燈有限元分析的建模過程 3.1 相關(guān)軟件介紹 3.1.1 Solid Works 簡(jiǎn)介 Solid Works 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的 技術(shù) 副總裁與 CV 公司 的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（ Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初所賦予的任務(wù)是希望在每一個(gè) 工程師 的桌面上提供一套具有 生產(chǎn) 力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從 1995 年推出第一套 Solid Works 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今，它已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由 300 家經(jīng)銷商在全球 140 個(gè)國家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。 Solid Works軟件是世界上第一個(gè)基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合 CAD 技術(shù)的 發(fā)展 潮流和趨勢(shì)， Solid Works 公司于兩年間成為 CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲 利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得 Solid Works 每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在 1995-1999 年獲得全球微機(jī)平臺(tái) CAD 系統(tǒng)評(píng)比第一名；從 1995 年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎(jiǎng)，其中僅從 1999 年起，美國權(quán)威的 CAD 專業(yè) 雜志 CADENCE 連續(xù) 4 年授予 Solid Works 最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰Solid Works 的創(chuàng)新、活力和簡(jiǎn)明。至此， Solid Works 所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速 、高效地投向了市場(chǎng)。 由于 Solid Works 出色的技術(shù)和市場(chǎng)表現(xiàn)，不僅成為 CAD 行業(yè) 的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對(duì)象。終于在 1997 年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將 Solid Works 全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了 CAD 行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的 Solid Works 以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為 CAD 行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司， Solid Works 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件也成為達(dá)索 企業(yè) 中最具競(jìng)爭(zhēng)力的 CAD 產(chǎn)品。 由 于使用了 Windows OLE 技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的 Parasolid 內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)， Solid Works 成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。 資料 顯示，目前全球發(fā)放的 Solid Works 軟件使用許可約 28萬，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 19 工業(yè) 、日用品 /消費(fèi)品、離散制造等分布于全球 100 多個(gè)國家的約 3萬 1千家企業(yè)。在教育市場(chǎng)上，每年來自全球 4， 300所教育機(jī)構(gòu)的近 145， 000名學(xué)生通過 Solid Works的 培訓(xùn) 課程。 據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它 3D CAD 系統(tǒng)相比，與 Solid Works 相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用Solid Works，越來越多的企業(yè)雇傭 Solid Works 人才。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用戶每年使用 Solid Works 的時(shí)間已達(dá) 5500 萬小時(shí)。 在美國，包括麻省理工學(xué)院（ MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把 Solid Works 列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機(jī)構(gòu)）如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海教育局等也在 應(yīng)用 Solid Works 進(jìn)行教學(xué)。相信在未來的 5-8年內(nèi)， Solid Works 將會(huì)成為與當(dāng)今 Auto CAD 一樣，成為 3D 普及型主流軟件乃至于 CAD 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 下面介紹一下 Solid works 的主要功能： 1） Top Down(自頂向下 )的設(shè)計(jì) 2） Down Top (自下向上 )的設(shè)計(jì) 3） 易用性及對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的支持 （ 1） Solid Works 完全支持 dwg/dxf 輸入輸出時(shí)的線型，線色，字體及圖層。并所見即所得地輸入尺寸，使用一個(gè)命令即可將所有尺寸變 Solid Works 的尺寸并驅(qū)動(dòng)草圖，而且可以任 意修改尺寸公差和精度等。其它同類軟件只能成組地輸入尺寸，因而這些尺寸無法被修改和變得象在原始 系統(tǒng)內(nèi)那樣靈活，這使得其它同類軟件要想利用已有工程圖變得非常困難。 （ 2） Solid Works 提供各種 3D軟件數(shù)據(jù)接口格式，其中包括 Iges、 Vdafs、 Step、Parasolid、 Sat、 STL、 MDT、 UGII、 Pro/E、 Solid Edge、 Inventor 等格式輸入為零件和裝配，還可輸出 VRML、 Tiff、 Jpg 等等文件格式。 4） 零部件鏡像 Solid Works 中提供了零部件的鏡像功能，不僅鏡像 零部件的幾何外形，而且包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配合條件，還可根據(jù)實(shí)際需要區(qū)分是作簡(jiǎn)單的拷貝還是自動(dòng)生成零部陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 20 件的對(duì)稱件。這一功能將大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。而其它同類軟件是沒有這一重要功能的。 5） 裝配特征 Solid Works 提供完善的產(chǎn)品級(jí)的裝配特征功能，以便創(chuàng)建和記錄特定的裝配體設(shè)計(jì)過程。實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖有許多特征是在裝配環(huán)境下在裝 配操作發(fā)生后才能生成的，設(shè)計(jì)零件時(shí)無需考慮的。在產(chǎn)品的裝配圖作好之后，零件之間進(jìn)行配合加工比如：零件焊接、切除、打孔等功能。 Solid Works 支持大裝配的裝 配模式，擁有干涉檢查、產(chǎn)品的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)仿真、編輯零件裝配體透明的功能。 6） eDrawing Solid Works 一向以創(chuàng)新領(lǐng)先而著稱，其中 eDrawing 的出現(xiàn)就是一個(gè)典型代表。長(zhǎng)期以來，工程技術(shù)人員交換工程設(shè)計(jì)信息的主要方式就是二維工程圖，而要讀懂一張復(fù)雜的產(chǎn)品工程圖是一件非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事。 eDrawing 的出現(xiàn)使得工程師們交換設(shè)計(jì)信息變得便捷而又輕松，還是一張二維工程圖，卻賦予了更多的智能和信息，輕松實(shí)現(xiàn)二維圖紙三維看，而且以三維 動(dòng)畫方式展現(xiàn)產(chǎn)品各個(gè)角度和剖面的細(xì)節(jié)，結(jié)構(gòu)再復(fù)雜的產(chǎn)品也可讓設(shè)計(jì)者 在幾分鐘內(nèi)了如指掌。同時(shí)，所生成的電子文件體積小巧，便于傳遞。文檔內(nèi)還包含了免 費(fèi)的瀏覽工具，任何人可以在任何一臺(tái)裝有 Windows 系統(tǒng)的 PC 機(jī)上進(jìn)行自由地瀏覽，而無需任何其他軟件的支持。 7） 3D 草圖 Solid Works 提供了直接繪制三維草圖的功能，在友好的用戶界面下，象 繪制線 架圖一樣不再局限在平面上，而是在空間直接畫草圖，因而可以進(jìn)行布線，管線及管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；這一功能在主流實(shí)體造型領(lǐng)域內(nèi)是獨(dú)一無二的，而且是作為Solid Works 內(nèi)置功能。 如果設(shè)計(jì)中有管線零部件， Solid Works 可直接解決問題；此外 3D 草圖還可作為裝配環(huán)境下的布局草圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。其它同類軟件是沒有這一功能的。 8） 曲面設(shè)計(jì) 曲面設(shè)計(jì)功能對(duì)三維實(shí)體造型系統(tǒng)尤為重要， Solid Works 提供了眾多的曲面創(chuàng)建命令，同時(shí)還提供了多個(gè)高級(jí)曲面處理和過渡的功能如混合過渡，剪裁，延伸和陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 21 縫合等，而且是完全參數(shù)化的；從而幫助設(shè)計(jì)者快捷而方便地設(shè)計(jì)出具有任意復(fù)雜外形的產(chǎn)品。 9） 動(dòng)畫功能 Animator Solid Works 提供了一個(gè)動(dòng)畫功能，它把屏幕上的三維模型以及我們所作的操作記錄下來，生成脫離軟件環(huán)境并可直 接在 WINDOWS 平臺(tái)下面運(yùn)行的動(dòng)畫文件。利用這些文件用戶可制作產(chǎn)品的多媒體文件，以供設(shè)計(jì)評(píng)審、產(chǎn)品宣傳、用戶之間交流，技術(shù)協(xié)調(diào)運(yùn)用。動(dòng)畫功能可以生成產(chǎn)品的裝配過程、爆炸過程、運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫文件，同時(shí)也生成各個(gè)過程的組合的動(dòng)畫文件。 10） 渲染功能 Photo Works Solid Works 提供了產(chǎn)品的渲染功能，提供了材質(zhì)庫、光源庫、背景庫，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成還沒有加工出來的情況下，生成產(chǎn)品的宣傳圖片，同輸出通過的圖片文件格式如： JPG、 GIF、 BMP、 TIFF 等。用戶可以通過調(diào)整軟件環(huán)境下的光源、 背景和產(chǎn)品的材質(zhì)，并在產(chǎn)品的一些面上進(jìn)行貼圖操作，可以生成專業(yè)級(jí)的產(chǎn)品圖片。 11） Toolbox 工具箱 Solid Works 的 Toolbox 工具箱提供了建立企業(yè)庫文件的工具，可以對(duì)軸承等一些通用的標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行計(jì)算，提供了 ISO、 ANSI 等標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件庫，并可與裝配環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)插入。 12） 特征識(shí)別 Feature Works Solid Works 提供了特征識(shí)別的功能，它可以把其他軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)分析，自動(dòng)生成它識(shí)別的特征，并可進(jìn)行編輯和修改 15。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 22 3.2 25 米高桿燈的主要內(nèi)容和參 數(shù) 25 米高桿燈主要由桿體、地基、法蘭、燈盤等部件組成。桿體采用低碳鋼材料，楊氏模量 E=207 PaG ，泊松比 =0.3，密度 =7.80 103kg m3，屈服極限 235MPa ，經(jīng)大型折彎?rùn)C(jī)加工一次成為十二邊形錐形桿，縱向焊縫采用自動(dòng)埋弧焊機(jī)一次焊接，口徑為 260mm- 550mm，套接長(zhǎng)度超過管徑的 1.5 倍，壁厚上節(jié) 6 mm，中節(jié) 8 mm，下節(jié) 10 mm。 高桿燈整體結(jié)構(gòu)如圖 3-1,其他部件如圖 3-2 所示 。傳動(dòng)鋼絲繩采用不銹鋼鋼絲繩，主繩 10mm，副繩 8mm。升降原理上升時(shí)在電動(dòng)狀態(tài)下其升降裝置卷繞主鋼纜通過頂部滑輪組帶動(dòng)副鋼纜使之上升。當(dāng)燈盤上升至頂端在定位裝置下自動(dòng)掛鉤卸載。配電盤裝置置于電器們內(nèi)部，控制升降和照明系統(tǒng)。 圖 3-1 25 米高桿燈整體結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 燈盤 (b) 掛鉤圈 (c) 法蘭 圖 3-2 高桿燈 部分部件結(jié)構(gòu)示意圖 基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ7-89 等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。適用于地基承載力設(shè)計(jì)值 f 10tf/m2 和最大風(fēng)力不得超過 11 級(jí)的地區(qū)，墊層厚度陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 23 150mm，鋼筋保護(hù)層厚度不小于 40mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí) C25 混凝土。兩根接地線20 與地腳螺栓焊接牢固，接地電阻應(yīng)小于 10 歐姆。埋于地下 2.8 米處，基礎(chǔ)頂面應(yīng)高出回土表面 0.12 米。其結(jié)構(gòu)如圖 3-3、 3-4所示。 圖 3-3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 24 圖 3-4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖 根據(jù)平面圖上的相關(guān)數(shù)據(jù)畫出各部分零件的 模型圖，再將各部分零件正確裝配，得到如下整體圖 3-5。 圖 3-5 高桿燈 solid works 模型圖 3.3 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美 國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù)陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 25 CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, Auto CAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。 1.軟件功能簡(jiǎn)介 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 啟動(dòng) ANSYS，進(jìn)入畫面以后，程序停留在開始平臺(tái)。從開始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊： PREP7（通用前處理模塊）， SOLUTION（求解模塊）， POST1（通用后處理模塊）， POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。 ANSYS 用戶手冊(cè)的全部?jī)?nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查 閱。 用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在 .LOG 文件中列出，打開輸出窗口可以看到 .LOG 文件的內(nèi)容。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，查看 .LOG 文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。 .LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由 ANSYS 自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是 ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。 2.前處理模塊 PREP7 雙擊實(shí) 用菜單中的“ Preprocessor”，進(jìn)入 ANSYS 的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 實(shí)體建模： ANSYS 程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 26 如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。 ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn) 算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。 自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。 網(wǎng)格劃分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì) CAD 模 型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。 ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分 析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。圖 3-6 為高桿燈劃分網(wǎng)格后圖。 圖 3-6 ANSYS 劃分高桿燈網(wǎng)格圖 3.求解模塊 SOLUTION 前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。 點(diǎn)擊快捷工具陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 27 區(qū) 的 SAVE_DB 將前處理模塊生成的模型存盤，退出 Preprocessor，點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的 Solution，進(jìn)入分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。 3.4 軟件模型處理過程 1.用 Solid Works 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)畫出高桿燈各零部件的零件圖 2.用 Solid Works 正確組裝各零部件得到裝配圖并另存為 x-t 格式 3.導(dǎo)入裝配圖到 ANSYS 4.設(shè)置燈桿的材料 -低碳鋼及地基的材料 -混凝土 5.設(shè)置各部分的綁定和接 觸等 6.劃分網(wǎng)格（可根據(jù)計(jì)算機(jī)性能適當(dāng)改變大小） 7.分別施加風(fēng)載、雪載、風(fēng)雪載情況下的各種力 8.點(diǎn)擊 solution 進(jìn)行計(jì)算 9.分別得出整體及各部件的應(yīng)力、位移圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 28 3.5 25 米高桿燈的有限元模型 建立好的有限元模型如圖 3-7所示。 圖 3-7 25 米高桿燈有限元模型 3.6 解決的問題 在受力過程中，法蘭與基礎(chǔ)以及法蘭與螺栓之間有接觸，結(jié)構(gòu)在受力變形過程中自身也會(huì)發(fā)生接觸，結(jié)構(gòu)自身變形部分之間還有摩擦作用。這些接觸將是影響 25米高桿燈強(qiáng)度的主要地方。 1.接觸算法： 接觸問題也是約束 的一種類型，主要包括主從面接觸、殼結(jié)構(gòu)的單面接觸、點(diǎn)面接觸、自適應(yīng)接觸、剛性體的接 觸等。上部陰影面為從接觸面，下部陰影面為主接觸面。 接觸算法的基本原理為：在每一時(shí)間步，程序都 要檢查從接觸面上的所有節(jié)點(diǎn)，從而確定節(jié)點(diǎn)是否穿透主接觸面。若已經(jīng)穿透，則給節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)沿主面法線方向的力阻止穿透的進(jìn)一步發(fā)生，力的大小取決于穿透量以及主從面單元的力學(xué)性能。在每一個(gè)面上都可以施加平行于面的摩擦力，摩擦力的大小等于法向力與摩擦系數(shù)之積，方向與面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。 點(diǎn)面接觸就是將主從面接觸中的從接觸面定義為若干個(gè)離散的從 節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 29 可以是其它單元的節(jié)點(diǎn)，目的就是保證這些節(jié)點(diǎn)不會(huì)穿透主接觸面。從節(jié)點(diǎn)可以有摩擦或沒有摩擦地在主接觸面上滑動(dòng)。 2.處理接觸問題的主要步驟： 第一步：建立并劃分模型。在這一步中，需要建立代表接觸體集合形狀的模型，設(shè)置單元類型、實(shí)常數(shù)和材料特性，并劃分單元網(wǎng)格。 第二步：識(shí)別接觸對(duì)。必須認(rèn)識(shí)到在變形中發(fā)生接觸的位置，一是已知道潛在的接觸面，通過接觸單元來定義它們，為了有效的計(jì)算，可使定義的區(qū)域盡量小，但必須保證所定義的接觸區(qū)能模擬所有必須的接觸。 第三步：制定主面和從面。一般將其中一個(gè)邊界稱為主面，另 一個(gè)邊界就是從面。 ABAQUS 中對(duì)點(diǎn)面接觸而言，指定主面和從面一般是根據(jù)接觸部分的形狀進(jìn)行的。 第四步：生成接觸單元。這一步是使用 ANSYS 求解接觸問題比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，也是與其他問題求解的不同之處。首先選擇位于從面接觸部位的從節(jié)點(diǎn)， 確定與它最接近的主節(jié)點(diǎn) ， 檢查與主節(jié)點(diǎn)有關(guān)的所有主片，確定從節(jié)點(diǎn)穿透主表面時(shí)可能接觸的主片，確定從節(jié)點(diǎn)在主片上可能接觸點(diǎn)的位置。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 30 第四章 25 米高桿路燈燈桿的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) 本章以 ANSYS 有限元分析軟件，建立了單一載荷（風(fēng)、雪）及多重載荷 作用下25 米高桿燈的變形、強(qiáng)度等的有限元模型，并進(jìn)行了計(jì)算，得到了各個(gè)部件在載荷下的受力變形圖、云圖等。通過分析其強(qiáng)度找出需要加強(qiáng)的部件以及可以優(yōu)化設(shè)計(jì)的地方，探索用有限分軟件分析 25米高桿燈的方法和策略。 現(xiàn)對(duì) 25m 高桿燈在風(fēng)載、雪載以及風(fēng)載雪載共同作用下的三種典型工況進(jìn)行分析。 4.1 單一載荷下的有限元分析 4.1.1 風(fēng)載 25m 高桿燈的 12 支地腳螺栓完全固定，計(jì)算其在作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布。在工況一下，高桿燈所承受的載荷有以下幾部分組成： a自重力。重力加速度取為 2/m8.9 s 。 b風(fēng)載。 對(duì)燈具及桿身表面受風(fēng)的載荷按 50 年一遇 50m 高度風(fēng)壓載荷計(jì)算（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009_2001）。544N620m1950m0.00045M Pa1 AF 燈具 ，考慮到實(shí)際情況，水平風(fēng)載取為 510N；2AF 桿身。 圖 4-1 4-6 是風(fēng)載作用下， 25m 高桿燈的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布云圖。 圖 4-1 高桿燈整體應(yīng)力、位移云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 31 圖 4-2 1、 2、 3節(jié)燈桿應(yīng)力云圖 圖 4-3 1、 2、 3燈桿 位移云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 32 圖 4-4 法蘭應(yīng)力云圖 圖 4-5 墊片應(yīng)力云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 33 圖 4-6 燈座應(yīng)力云圖 由以上應(yīng)力云圖可知在風(fēng)載作用下高桿燈的變形主要發(fā)生在墊片及燈桿的根部，最大應(yīng)力為 96.973MPa，在墊片處。 3節(jié)燈桿應(yīng)力最大值由上往下遞增，應(yīng)力不是很大，燈座應(yīng)力較小，法蘭應(yīng)力中等。最大位移為 174.1mm，發(fā)生在第一節(jié)桿處，地基及燈桿其他地方的應(yīng)力及位移都較小，基本上可以忽略。 4.1.2 雪載 25m 高桿燈的 12 支地腳螺栓完全固定，計(jì)算其在作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布。在雪載下，高桿燈所承受的 載荷有以下幾部分組成： a自重力。重力加速度取為 2/m8.9 s 。 b燈具表面覆蓋的積雪對(duì)桿身的載荷。對(duì)燈具表面覆蓋的積雪載荷按 50 年一遇 50m 高度雪壓載荷計(jì)算（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009_2001）： 1 2 4 8 N1 2 8 0 m m*1 9 5 0 m m*0 . 0 0 0 5 M P a AF 雪 考慮到實(shí)際情況，燈具表面覆雪載荷取為 1200N。圖 4-7 4-11 是在雪載作用下，25m 高桿燈的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 34 圖 4-7 高桿燈整體應(yīng)力云圖 圖 4-8 1、 2、 3 節(jié)燈桿應(yīng)力云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 35 圖 4-9 各燈桿位移云圖 圖 4-10 螺栓應(yīng)力云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 36 圖 4-11 燈座應(yīng)力云圖 由這些位移和變形圖可知，在雪載下高桿燈的最大位移和最大應(yīng)力均出現(xiàn)在燈具處，最大應(yīng)力為 39.486MPa，除了第一節(jié)燈桿應(yīng)力較大，二、三節(jié)燈桿應(yīng)力很小，螺栓處應(yīng)力也比較大。最大位移為 1.621mm，地基和桿體的變形位移都很小，由雪載引起燈桿的應(yīng)力和位移基本可以忽略。 4.2 多重載荷下的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.2.1 有限元分析 在 風(fēng)雪載荷下，路燈所承受的載荷有以下幾部分組成： a自重力。重力加速度取為 2/m8.9 s 。 b風(fēng)載。 對(duì)燈具及桿身表面受風(fēng)的載荷按 50 年一遇 50m 高度風(fēng)壓載荷計(jì)算（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009_2001），544N620m1950m0.00045M Pa1 AF 燈具 ，考慮到實(shí)際情況，水平風(fēng)載取為 500N；2AF 桿身。 c燈具表面覆蓋的積雪對(duì)桿身的載荷。對(duì)燈具表面覆蓋的積雪載荷按 50 年一遇 50m 高度雪壓載荷計(jì)算（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009_2001），陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 37 1 2 4 8 N1 2 8 0 m m1 9 5 0 m m0 . 0 0 0 5 M P a AF 雪 ，考慮到實(shí)際情況，燈具表面覆雪載荷取為 1176N。圖 4-12 4-17 為風(fēng)雪載荷下 25m 高桿燈的應(yīng)力位移場(chǎng)分布云圖。 圖 4-12 高桿燈整體應(yīng)力、位移云圖 圖 4-13 1、 2、 3 節(jié)燈桿應(yīng)力云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 38 圖 4-14 1、 2、 3 節(jié)燈桿位移云圖 圖 4-15 法蘭應(yīng)力云圖 陳陽 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 39 圖 4-16 墊片應(yīng)力云圖 圖