接觸網(wǎng)彈性仿真計(jì)算設(shè)計(jì)方案

1、接觸網(wǎng)彈性仿真計(jì)算設(shè)計(jì) 方案一、緒論1.1研究目的及意義在電氣化鐵路的供電系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)系統(tǒng)是極其重要的組成部分，接觸網(wǎng)系統(tǒng) 的投資比較大，并且無備用，其工作環(huán)境本身就比較惡劣，在高速運(yùn)行和惡劣的氣 候條件下，能保證電力機(jī)車正常取流，這就要求接觸網(wǎng)系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上具有較好 的穩(wěn)定性和良好的彈性性能。所以接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)施工要科學(xué)合理。目前世界各國(guó)高 鐵的運(yùn)行速度都是在不斷提升，為了滿足列車運(yùn)行的安全穩(wěn)定，對(duì)接觸網(wǎng)的彈性穩(wěn) 定性要求也是越來越高，越來越嚴(yán)格。在我國(guó)大力發(fā)展高鐵的大環(huán)境下，研究接觸 網(wǎng)的彈性影響對(duì)提高弓網(wǎng)之間的受流質(zhì)量有著重要的作用以及指導(dǎo)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究的狀況現(xiàn)代高速鐵路大多數(shù)

2、采用的都是電力牽引方式，電力牽引的重要主體就是接觸 網(wǎng)，接觸網(wǎng)的彈性性能的優(yōu)劣直接影響電力機(jī)車弓網(wǎng)的受流質(zhì)量，最后直接影響列 車運(yùn)行的速度和行車安全。為了滿足國(guó)內(nèi)外高速鐵路的加速發(fā)展和市場(chǎng)的激烈競(jìng) 爭(zhēng)，必須對(duì)接觸網(wǎng)的彈性問題進(jìn)行研究計(jì)算并應(yīng)用到實(shí)際中。中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的懸掛方式基本上分為兩種，簡(jiǎn)單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛， 復(fù)鏈型懸掛使用的較少，但是其動(dòng)態(tài)品質(zhì)最為優(yōu)越，也是比較適合高速鐵路，但是 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，施工維修都不容易而使用較少。簡(jiǎn)單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛 都可以滿足高速弓網(wǎng)的受流要求，簡(jiǎn)單鏈型的靜態(tài)不均勻度較大，其動(dòng)態(tài)接觸力比 彈性鏈型懸掛方式要大，彈性鏈型懸掛方式的接觸線動(dòng)態(tài)態(tài)抬升

3、量， 容易產(chǎn)生疲勞, 技術(shù)的關(guān)鍵在于彈性吊索的安裝，施工搶修也比較麻煩。經(jīng)過多年的鐵路運(yùn)營(yíng)表示， 在相同的接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)下，并且在相同的列車行駛速度下，彈性鏈型懸掛方式比 簡(jiǎn)性鏈型懸掛方式要運(yùn)行的更加平穩(wěn)，其原因在于彈性鏈型懸掛增加了彈性吊索， 減小了其彈性不均勻度和接觸線弛度。在上個(gè)世紀(jì) 60 年代，日本建成了世界上第一條高速鐵路，由新大阪開往東京 的新干線，列車速度達(dá)到270km/h。他們是60年代孤獨(dú)的先行者。當(dāng)時(shí)采用的是復(fù) 鏈?zhǔn)綉覓?。其彈性非常大?其跨中的彈性甚至能達(dá)到定位點(diǎn)彈性的百分之九十以上。 完全滿足高速受流這一要求。 1972年3月日本山陽(yáng)新干線開通， 它采用的是重復(fù)鏈 型懸

4、掛。這種鏈型懸掛加大了承力索接觸線等線索的張力和直徑，取消了復(fù)雜的彈 性組合吊弦，這一改變使得接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重量變大，減少了接觸網(wǎng)的彈性，減少接 觸線的抬升量，減少接觸網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)幅度。使得接觸網(wǎng)的受流綜合性能得到大幅 度提升。但是這種接觸懸掛一次性投資太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，直接導(dǎo)致接觸 網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維修費(fèi)用過高，發(fā)生事故時(shí)候搶修難度大，中斷時(shí)間長(zhǎng)。又由于上世紀(jì) 八九十年代日本處于經(jīng)濟(jì)衰退的艱難時(shí)期，于 1997 年興建的北陸新干線采用的是 簡(jiǎn)單鏈型懸掛，降低了接觸網(wǎng)施工的成本。但是日本近年來的兩種主要的接觸網(wǎng)懸 掛方式，其接觸線張力都在逐漸增加(14.7KN-250km/h，19.6KN-3

5、00km/h)重復(fù)鏈 型懸掛和簡(jiǎn)單鏈型懸掛目前已經(jīng)成為日本的兩種標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)懸掛類型。作為 80年代的新霸主，法國(guó)高速鐵路大西洋線于 1989年開幕，連接巴黎和法 國(guó)西部，時(shí)速300km/h。采用的是簡(jiǎn)單鏈型懸掛。法國(guó)接觸網(wǎng)工程師有著不同的觀 點(diǎn)，彈性吊索對(duì)于時(shí)速超過250km/h的高速鐵路來說其影響意義并不大，反而認(rèn)為 提速是影響機(jī)車行車安全的主要因素。所以目前法國(guó)主要采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛方式。 隨著列車速度的不斷增加，接觸線張力也在增加， 300km/h 的路段接觸線張力在 20KN而時(shí)速350km/h的路段接觸線張力增加到25KN所以法國(guó)接觸網(wǎng)公式的重點(diǎn) 放在改善受電弓機(jī)械性能，并研發(fā)高性能的

6、受電弓。同時(shí)法國(guó)是目前輪軌系統(tǒng)的世 界記錄保持者。1990年5月，試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到500km/h以上。法國(guó)在160km/h時(shí) 速的接觸網(wǎng)采用的是全補(bǔ)鏈型懸掛，彈性鏈型輔助索長(zhǎng)度為12m吊弦之間的間距為9m同樣采用全補(bǔ)鏈型懸掛的還有 TGV東南線，它的彈性鏈型輔助索長(zhǎng)度為15m 吊弦間距為4.5m,總的接觸線張力為28KN其接觸線的預(yù)弛度為1: 1000,可以滿 足270km/h的時(shí)速。由于該接觸網(wǎng)在定位點(diǎn)處增加了彈性吊索，減小了彈性不均勻 度，也增加了定位支持點(diǎn)的彈性，同時(shí)增大定位器抬升量 ，但是這樣容易產(chǎn)生定 位管打弓事故。上世紀(jì)五十年代，德國(guó)便開始進(jìn)行制定接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的工作。在多年的實(shí)踐運(yùn)

7、 營(yíng)下，先后推出 Re75 Re100 Re 160、Re200、Re250 Re300、Re330型接觸網(wǎng)。剛開始的兩種為簡(jiǎn)單鏈型懸掛，剩下的都是全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛。在Re200及以下 系列懸掛標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)德國(guó)鐵路又設(shè)計(jì)了 Re250 懸掛標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以滿足時(shí)速 250km/h的路段。90年代在Re250懸掛標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)又推出了新的 Re330型接觸網(wǎng)， 該標(biāo)準(zhǔn)適用于時(shí)速300km/h的線路上。在Re330型接觸網(wǎng)中繼續(xù)使用了傳統(tǒng)的鏈型 懸掛，但是加大了接觸線張力，原來的 Re250其接觸線15KN到Re330型其接觸線 張力增加到27KN跨距也減小了，由原來的 Re250型80m減少到了 6

8、5m并將彈性 吊索的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化， 在凈空受到限制或施工比較困難的區(qū)段取消了安裝彈性吊 索，換成了安裝簡(jiǎn)單鏈形懸掛，同時(shí)研究高性能的受電弓來滿足機(jī)車高速運(yùn)行的取 流和穩(wěn)定?？偟膩碚f，國(guó)內(nèi)外的高速接觸網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越 簡(jiǎn)單，便于施工維修，并提高接觸網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的線料參數(shù)不 變的情況下，適當(dāng)提高接觸線張力，減小系統(tǒng)的彈性不均勻度，以及減小接觸線彈 性和提升了接觸線波動(dòng)傳播速度，進(jìn)而為提升機(jī)車運(yùn)行速度提供保障。各國(guó)的鐵 路公司都在積極研制并開發(fā)與接觸網(wǎng)參數(shù)及與運(yùn)營(yíng)速度相匹配的高速高性能受電 弓。1.3 本論文的研究?jī)?nèi)容和方法接觸網(wǎng)的彈性和彈性均勻度受很多因素

9、的影響，比如懸掛類型，承力索張力， 接觸線張力，彈性吊索長(zhǎng)度，跨距，吊弦數(shù)目等等。本論文主要研究這些參素的改 變對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的彈性影響以及其均勻度影響。本論文的重點(diǎn)在于研究計(jì)算接觸網(wǎng)的彈性和彈性均勻度，首先用ANSY軟件建立了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型，在本論文中，首先建立了單跨簡(jiǎn)單鏈型懸掛模型和 三跨彈性鏈型懸掛模型。對(duì)這兩個(gè)模型通過結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSY計(jì)算得出靜態(tài)結(jié)構(gòu)， 找型，計(jì)算吊弦長(zhǎng)度。然后在接觸線上每個(gè)吊弦位置的節(jié)點(diǎn)處添加靜態(tài)抬升力，對(duì) 比沒加靜態(tài)抬升力的情況下得出每個(gè)節(jié)點(diǎn) 丫方向上的位移差值，就可以計(jì)算出每個(gè) 點(diǎn)的彈性，進(jìn)而求出彈性均勻度。然后改變模型的參數(shù)再次通過上訴方法計(jì)算

10、靜態(tài) 抬升量，得出在不同因素的作用下對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性均勻度以及每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)彈性的 影響，計(jì)算出在不同因素情況下得到的彈性參數(shù)，對(duì)比并得出結(jié)論。為今后的接觸 網(wǎng)設(shè)計(jì)施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)。第2章 有限元理論與APDL簡(jiǎn)介接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件和絕緣子。通 過支持裝置將接觸懸掛架設(shè)在各個(gè)支柱上，其功能用處是傳輸電能。將從電能從牽 引變電處獲得并輸送給電力牽引機(jī)車。 接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含很多部分，其主要 的部分是索，索作為力學(xué)模型來說不可以受壓力，只能收到拉力。二力桿作為物理 模型來說，可以受到壓力也可以收到拉力，所以用桿模擬索比較好。而ANSYS中LINK10 單元

11、比較特殊的雙線性剛度矩陣這個(gè)特性正好可以滿足這個(gè)特性，使索成為一個(gè)軸向只受拉力或者只受壓力的桿單元。在使用 LINK10 單元時(shí)，可以調(diào)整設(shè)置 受拉選項(xiàng)，如果桿單元受壓，桿剛度就會(huì)消失，所以用以此來模擬索的松弛或彈性 吊索的松弛比較好。第二章先介紹有限元理論，再介紹 ANSY軟件的特點(diǎn)和運(yùn)用該軟件研究計(jì)算接 觸網(wǎng)彈性的好處，最后再對(duì) APDL進(jìn)行簡(jiǎn)介。2.1 有限元理論有限元方法廣泛應(yīng)用于傳熱學(xué)，結(jié)構(gòu)分析，流體力學(xué)，和電磁學(xué)等等工程問題 的分析上。它把求解的連續(xù)系統(tǒng)離散成有限個(gè)簡(jiǎn)單且相互作用的小元素，也稱作單 元。最后進(jìn)行近似求解。一般先把工程問題轉(zhuǎn)化為物理模型，接著確定它的數(shù)學(xué)模 型（微分方

12、程組），并確定其邊界條件和初值條件，然后就是求解了，簡(jiǎn)單的求解 一般用解析法，復(fù)雜的求解一般用數(shù)值法，數(shù)值法又分為三類，分別是有限元法和 有限差分法以及邊界元法。有限元法一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，它廣泛適用在電子計(jì)算機(jī)的編程計(jì)算中。 有限元法起源于 20世紀(jì) 50年代，當(dāng)時(shí)用來研究航空中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，結(jié)構(gòu) 力學(xué)中一種最主要分析方法叫做結(jié)構(gòu)矩陣分析。結(jié)構(gòu)矩陣分析法認(rèn)為任意一個(gè)結(jié)構(gòu) 都可以看作是由有限個(gè)小單元互相作用相互影響并相互連接而成的一個(gè)集合體， 我 們可以把每個(gè)單元的力學(xué)特性可以比作機(jī)械上的零件，組裝在一起就可以提供整體 的力學(xué)特性。那么我們會(huì)不禁提出這樣的問題了，我們?yōu)槭裁匆紫确治?/p>

13、力學(xué)單元 的特性呢，直接分析整體不是更直接更快速嗎？在面對(duì)實(shí)際的工程問題中，對(duì)實(shí)際 復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行整體分析難度比較大， 要想把問題簡(jiǎn)化就要把一個(gè)完整的系統(tǒng)拆分變成單元，然后再將這些單元組裝變成原來的系統(tǒng)整體分析才容易得到其整 體特性。有限元法是工程師們經(jīng)常采用的分析工程實(shí)際問題的重要方法。從另一個(gè) 方面看，運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解離散系統(tǒng)問題還是比較輕松的，也比較迅速，即使系統(tǒng)單 元數(shù)目比較龐大。實(shí)際上對(duì)于任意一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，其單元數(shù)目是具有無限性，但是 計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存容量以及其運(yùn)算速度總是有極限的，如果把一個(gè)系統(tǒng)拆分成無限多個(gè) 單元，那么計(jì)算機(jī)將不容易處理。工程上處理連續(xù)體問題的方法大多都是將連續(xù)系

14、 統(tǒng)進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)變成離散系統(tǒng)，然后再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。然而離散系統(tǒng)一 般都是具有近似性，與實(shí)際情況還是有差距的。然而離散變量的個(gè)數(shù)變多時(shí)，再用 計(jì)算機(jī)分析計(jì)算就可以得到收斂于實(shí)際的連續(xù)解。有限元法常常用于分析計(jì)算連續(xù) 系統(tǒng)問題時(shí)實(shí)際上就是一種把實(shí)際系統(tǒng)離散化的分析手段。如果單元滿足問題的收 斂需區(qū)域，當(dāng)單元尺寸越來越小時(shí)，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解得近似程度會(huì) 逐漸被改進(jìn)，結(jié)果的近似值也將會(huì)越來接近精確解。有限元模型一般來說都是由有限個(gè)幾何形狀簡(jiǎn)單的單元組合而成，單元與單元 之間是通過節(jié)點(diǎn)相互連接，并且在某些節(jié)點(diǎn)處施加一定的載荷以及邊界條件的數(shù)學(xué) 模型。下面介紹一下有限元的常用術(shù)語。常

15、用術(shù)語有節(jié)點(diǎn)、單元、節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)載 荷、位移函數(shù)、收斂準(zhǔn)則等等。節(jié)點(diǎn)（node）代表著有限元的坐標(biāo)位置，具有一定 的自由度（Ux、Uy、Uz）,存在著相互物理作用，或者說節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是單元和單元 之間的連接點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以分為鉸接，固接或其他形式的連接。節(jié)點(diǎn)一般分為主外節(jié) 點(diǎn)，內(nèi)節(jié)點(diǎn)，副主外節(jié)點(diǎn)和內(nèi)節(jié)點(diǎn) 3類，有了節(jié)點(diǎn)再能把一些工程中的實(shí)際連續(xù)體 簡(jiǎn)化。把它看作在節(jié)點(diǎn)處相互作用相互連接的單元集合體，這些單元集合體組成龐 大的離散型結(jié)構(gòu)。通過這種方法把可以把工程上遇到的實(shí)際對(duì)象轉(zhuǎn)化為可通過計(jì)算 機(jī)計(jì)算的數(shù)學(xué)物理模型，近而進(jìn)行近似計(jì)算，為實(shí)際工程提供科學(xué)依據(jù)。節(jié)點(diǎn)卑元圖2-1節(jié)點(diǎn)、單元示意圖常用單元一般

16、可以分為兩類，包括自然單元和分割單元。自然單元是指某些工程構(gòu)件比如說銜架結(jié)構(gòu)連桿，這種結(jié)構(gòu)在分析時(shí)不需要分割。構(gòu)件的本身性質(zhì)以及 實(shí)際研究的范圍決定了結(jié)構(gòu)可不可以看作自然單元。分割單元一般是指講連續(xù)的系 統(tǒng)或者整體結(jié)構(gòu)拆為一個(gè)一個(gè)微單元，是有限多個(gè)。一般來說，單元的分割是任意 的，但是在處理實(shí)際工程問題中，我們一定要根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)來進(jìn)行單元分割， 這樣使得單元分割可以滿足力學(xué)分析要求并且要滿足方便快速計(jì)算的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)力 和節(jié)點(diǎn)載荷，相鄰單元之間的相互作用是通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，節(jié)點(diǎn)力就是節(jié)點(diǎn)之間 的相互作用力，也叫節(jié)點(diǎn)載荷。節(jié)點(diǎn)載荷是作用在節(jié)點(diǎn)上的外載荷。節(jié)點(diǎn)力一般情 況下可以分為兩種：一個(gè)是

17、按照靜力等效原則作用在單元上的分布力轉(zhuǎn)移到該節(jié)點(diǎn) 上的節(jié)點(diǎn)載荷，以便建立節(jié)點(diǎn)載荷與節(jié)點(diǎn)位移的平衡方程。另一個(gè)是直接作用在節(jié) 點(diǎn)上的外力。雖然在實(shí)際工程問題中有著不同的物理性質(zhì)、不同的數(shù)學(xué)模型。但有限元求解 法基本步驟一般都是一樣的。首先是預(yù)處理階段，先將連續(xù)體離散化為有限單元， 即將問題分解成節(jié)點(diǎn)和單元，在單元體間設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使得相鄰單元的設(shè)計(jì)參數(shù)具有 連續(xù)性。離散的單元的數(shù)目大小跟實(shí)際工程問題的計(jì)算精度有關(guān)。然后定義行為特 性，行為特性的物理意義是反映單元的力學(xué)物理特性。它的數(shù)學(xué)意義是插值位移函 數(shù)，通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移，我們要得到單元體的物理特性。比如說應(yīng)變、應(yīng)力、位移 等等。我們通常把位移的分

18、布坐標(biāo)假定成某種簡(jiǎn)單的函數(shù)。這個(gè)過程的重點(diǎn)就是確 定科學(xué)合理的位移函數(shù)，大部分的位移函數(shù)都是多項(xiàng)式的。接著對(duì)單元建立方程， 構(gòu)造單元?jiǎng)偠染仃?，而?duì)單元組合成總體的問題構(gòu)造總體剛度矩陣，這個(gè)過程需要 利用幾何方程、變分原理、本構(gòu)方程來確立，先分別確立各個(gè)單元的平衡方程，然 后再組合而成其整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。應(yīng)用邊界條件、初始值和負(fù)載。第二個(gè)階段 是求解階段，求解線性或者非線性方程組，可以得帶節(jié)點(diǎn)的值。最終為后處理階段, 通過后處理可以分析得出其他有用的參數(shù)信息，比如應(yīng)力、變形位移、溫度等?？偟膩碚f，有限元分析大致可以分成三個(gè)階段：前處理、處理和后處理。建立 有限元模型并完成單元網(wǎng)格劃分是前處理和

19、處理階段完成的工作；后處理工作主要 是采集并處理分析數(shù)據(jù)，可以讓我們更加簡(jiǎn)便的獲取參數(shù)信息，最終研究分析得出 結(jié)果。有限元分析發(fā)的基本步驟大致可見如下程序圖：有限元法有不少優(yōu)點(diǎn)： 概念淺顯易懂，容易掌握。有限元法的平衡方程和剛度矩陣可以采用不同的理 論建立?？梢酝ㄟ^直觀易懂的物理概念來理解，也可以建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析理 論。 有限元法的適用性比較強(qiáng)，其應(yīng)用范圍也是非常廣?；旧峡梢越鉀Q所有的結(jié) 構(gòu)分析、熱分析、流體力學(xué)、以及電磁場(chǎng)領(lǐng)域的很多問題。 采用矩陣形式表達(dá)，有利于計(jì)算機(jī)編寫程序求解?？梢猿浞掷糜?jì)算機(jī)的高速 計(jì)算能力，計(jì)算快速簡(jiǎn)便。 有限元法有非常強(qiáng)的靈活性和通用性，能夠解決一些工程中復(fù)

20、雜的不常見問題, 比如一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何邊界，添加各種不同的邊界條件，不均勻的結(jié)構(gòu)材料 特性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含有桿件、殼、板等不同結(jié)構(gòu)類型的系統(tǒng)。2.2 Ansys 軟件介紹ANSYS軟件是目前市場(chǎng)上份額最大的有限元分析軟件，其通用性非常強(qiáng)。廣泛 應(yīng)用在電磁、流體、結(jié)構(gòu)、熱、聲學(xué)等很多科學(xué)領(lǐng)域的研究計(jì)算。目前該軟件應(yīng)用 在的行業(yè)也是遍布全球。它廣泛應(yīng)用在航天航空、船舶、水利水電、機(jī)械制造、核工業(yè)、土木工程、電氣工程。生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中。ANSYS是首個(gè)通過ISO 9001質(zhì)量認(rèn)證的有限元分析軟件。它的通用性表現(xiàn)在它可以和大部分的CAD軟件接口。也就是說CAD建好的模型可以輕松導(dǎo)入 ANSY軟件中。實(shí)現(xiàn)

21、不同工程軟件的數(shù)據(jù)共享交 換，是非常經(jīng)典的CAE工具，目前已經(jīng)廣泛得使用在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工程分析中。 可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合與多場(chǎng)分析。具有多物理場(chǎng)的優(yōu)化功能，客戶的開發(fā)環(huán)境也非常 優(yōu)良。軟件含有很多模塊比如熱、電磁、流體和結(jié)構(gòu)等。包含強(qiáng)勁的求解器以及強(qiáng) 大的前后處理功能。為我們解決龐大的工程項(xiàng)目。該軟件主要包括 : 預(yù)處理模塊、計(jì)算模塊和后處理模塊。預(yù)處理模塊提供的實(shí) 體建模和網(wǎng)格工具 , 用戶可以很容易地結(jié)構(gòu)有限元模型 , 包括分析和結(jié)構(gòu)分析的計(jì) 算模型 （ 線性分析和非線性分析和非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析各種物理介質(zhì)處理 模塊的優(yōu)化能力的交互分析電磁場(chǎng)分析和物理場(chǎng)的耦合分析 , 仿真結(jié)果表明

22、 , 輪廓 線的顏色,可以根據(jù)計(jì)算梯度 ,透明和半透明顯示 （看到圖形顯示的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ）, 但可 以通過圖表和曲線顯示。ANSYS不僅是一個(gè)計(jì)算功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，還為客戶提供了一個(gè)良好 的二次開發(fā)平臺(tái) , 為工程師、科學(xué)家高技術(shù)水平的科研提供良好的工作環(huán)境。2.2.1 ANSYS 的主要功能ANSYS軟件在實(shí)際工程問題上應(yīng)用非常廣泛，在機(jī)電類、土木工程、電子工程 及航天航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，都能達(dá)到某種程度的可信度，為工程施工維修 提供有效的科學(xué)依據(jù)，廣受工程師的好評(píng)。通過 ANSYS勺建模計(jì)算，能夠在很大的 程度上減少設(shè)計(jì)成本，降低設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。ANSY列以實(shí)現(xiàn)很多不同

23、類型的工程分析。以下介紹幾種 ANSY常見的工程分析類型： 動(dòng)力學(xué)分析：ANSY歎件可以模擬仿真一些復(fù)雜的三維柔體運(yùn)動(dòng)，在該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 積累的時(shí)候，可以通過 ANSY編程分析復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在空中做的三維運(yùn)動(dòng)，進(jìn) 而確定該結(jié)構(gòu)中每個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變和形變。 結(jié)構(gòu)分析，有限元分析最常見的應(yīng)用方向。ANSYS寸模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以得到節(jié)點(diǎn)位移。然后通過對(duì)節(jié)點(diǎn)位移值進(jìn)行研究計(jì)算，可以得到其他的物理量如： 應(yīng)變、應(yīng)力等。ANSY刖以分析以下三類結(jié)構(gòu)分析： 結(jié)構(gòu)靜力分析： 一般情況下， 不把阻尼和系統(tǒng)慣性參考進(jìn)去。 它的研究對(duì)象多 為控制不改變的外界載荷影響下的結(jié)構(gòu)。 通過軟件計(jì)算分析， 得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 應(yīng)變、

24、應(yīng)力、位移等物理量。ANSYS吉構(gòu)靜力分析既可以研究線性分析也可以 進(jìn)行非線性分析，比如蠕變、塑形、膨脹以及接觸分析。 吉構(gòu)動(dòng)力分析：其研究對(duì)象是跟著時(shí)間變化而變化的外界載荷影響下的吉構(gòu)系 統(tǒng)。通過軟件計(jì)算求解其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 但是動(dòng)力分析需要把阻尼和系統(tǒng)慣性參考 進(jìn)去，不能忽略它們的影響。ANSY刖以分析的動(dòng)力學(xué)分析類型有一下幾類， 諧波響應(yīng)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。 吉構(gòu)非線性分析：吉構(gòu)或組件的非線性會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)隨著負(fù)載比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性（彈塑性，粘彈性，超彈 性）、幾何非線性（大變形， 大應(yīng)力， 應(yīng)力強(qiáng)化等）和單元非線性（接觸問題、

25、鋼筋混凝土單元）三種。 熱分析：ANSY刖以用于進(jìn)行熱分析，它可以編程計(jì)算分析系統(tǒng)的溫度或者其他 熱力學(xué)量的分布和變化響應(yīng)。通過熱力學(xué)方程，編程運(yùn)行后可以得到系統(tǒng)中每個(gè) 節(jié)點(diǎn)的溫度，進(jìn)而可以得出其他的熱力學(xué)物理量，比如熱梯度、熱通量等。熱傳 遞有三種類型：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。三種類型可以瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)線性和非線 性分析。 熱分析可以模擬材料固化和融化過程， 此外還可以分析熱和架構(gòu)的耦合。 電磁場(chǎng)分析：ANSY列以分析電感和電容、渦流、電磁場(chǎng)電場(chǎng)分布和能量損失等 問題。磁場(chǎng)的分析需要考慮各種物理量 , 如磁通密度、磁場(chǎng)密度、磁力、電阻、電 感、渦流 , 功耗、漏磁等。磁場(chǎng)分析大致可以分為幾類。靜

26、態(tài)磁場(chǎng)分析 , 計(jì)算直流 （DC）或永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)分析：用來計(jì)算產(chǎn)生的磁場(chǎng)交流電（ac）;瞬 態(tài)磁場(chǎng)分析 ,計(jì)算出隨時(shí)間變化的電流或磁場(chǎng)引起的外部世界 ; 電場(chǎng)分析,用于計(jì) 算電場(chǎng)的電阻或電容系統(tǒng) ,典型的電量、 電荷密度、 電場(chǎng)和電流密度和耐熱性 , 等。 高頻電磁場(chǎng)分析 , 用于微波、波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸進(jìn)行分析。 聲學(xué)分析：ANSY可以進(jìn)行聲波在含有介質(zhì)中的流體傳播研究，也能分析浸泡在 流體中的固體吉構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可以確定音響的頻率響應(yīng)，比如研究音 樂大廳的聲場(chǎng)分布。 壓電分析： 壓電分析可以用來分析二維或者三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC、AD 或者隨著時(shí)間變化 而變化的電流以及

27、機(jī)械載荷的響應(yīng)。壓電分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振 器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。 可進(jìn)行四種類型的分析： 靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析 耦合場(chǎng)分析：在考慮兩個(gè)或者多個(gè)物理場(chǎng)之間的互相作用時(shí)，如果這兩個(gè)物理場(chǎng) 之間有著互相影響制約的關(guān)系，如果只是求解一個(gè)物理場(chǎng)是不能得到正確的答案 的，需要把兩個(gè)物理場(chǎng)疊加到一起進(jìn)行研究求解分析。 其他功能：ANSY支持的別的一些高級(jí)功能，包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、 生死單元等高級(jí)分析技術(shù)。2.2.2 ANSYS 軟件的主要特點(diǎn)ANSYS是 一個(gè)擁有強(qiáng)大的有限元分析能力的軟件，它有良好的前后處理功能，用戶可以GUI方

28、式建立了幾何模型，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)和添加約束條件等各種強(qiáng)大的功能，研 究非線性和動(dòng)態(tài)問題時(shí)候可以良好支持子結(jié)構(gòu)分析、子模塊、單元生死等先進(jìn)的分 析技術(shù) , 而且可以模擬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)和表面和表面和表面之間的結(jié)構(gòu)問題 , 為工程問 題的研究提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： 唯一可以滿足多場(chǎng)以及多場(chǎng)耦合分析計(jì)算的軟件 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件 唯一可以不同物理場(chǎng)疊加優(yōu)化分析功能的仿真分析軟件。 具有強(qiáng)勁的非線性分析計(jì)算功能 各種求解器可以分別適用于不同的問題及各種不一樣的硬件配置本文就是通過運(yùn)用該軟件強(qiáng)勁的非線性求解分析能力來模擬研究接觸網(wǎng)的彈性分 析。2

29、.2.3 單元選用介紹在本論文中， 重點(diǎn)研究對(duì)象接觸網(wǎng)的彈性和彈性均勻度。 在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中， 承 力索、接觸線、吊弦和彈性吊索這幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)都只能受到拉力，受到壓力時(shí)該結(jié) 構(gòu)的剛度會(huì)消失不見， 線索會(huì)變的松弛。 從這幾個(gè)單位的結(jié)構(gòu)形式來看， 結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)， 跨度比較大。把這些結(jié)構(gòu)作為桿單元這種結(jié)構(gòu)在 ANSYS析當(dāng)中經(jīng)常使用LINK單 元進(jìn)行模擬，因?yàn)長(zhǎng)INK單元作為桿單元，承受拉伸與壓縮力，與 BEAM單元不同， 不承受彎矩和扭矩作用，這樣可以更為準(zhǔn)確的模型接觸網(wǎng)的力學(xué)效應(yīng)，我們?cè)谧鲇?限元模擬仿真時(shí)， 對(duì)于單元的選取正確與否直接影響計(jì)算結(jié)果， 所以在這種情況下， 選LINK10單元是合適的單元

30、。這樣可以最大程度的適用于實(shí)際的工程問題。吊弦和彈性吊索是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中連接接觸線和承力索的重要結(jié)構(gòu)組件。一般用 桿單元來模擬。由于吊弦和彈性吊索都是柔性弦索，它們只可以受拉力，不可以受 壓力，當(dāng)?shù)跸液蛷椥缘跛魇軌毫r(shí)弦索就會(huì)處于松弛狀態(tài)，剛性消失。這樣就要將 桿單元設(shè)置成只受拉力而不能受壓力的桿單元。對(duì)于實(shí)際的接觸網(wǎng)，結(jié)構(gòu)連接處比較多，在 ANSYS!中可以處理為質(zhì)量點(diǎn)的形 式進(jìn)行加在，在質(zhì)量點(diǎn)上可以加載力或者重力等信息，由于加入到接觸網(wǎng)系統(tǒng)有限 元模型的荷載矩陣?yán)铮诒菊撐奶幚碇袝簳r(shí)先不考慮加入線夾的質(zhì)量。這樣可以更 為方便進(jìn)行理論計(jì)算。介紹一下本論文用到的LINK10單元，LINK10是一

31、種三維只能受拉或著只能受 壓桿單元，這是因?yàn)樗莫?dú)一無二的雙線性剛度矩陣特性，該單元可以調(diào)成只受拉 力模式，也就是如果該單元受到壓力其剛度就消失。所以用LINK10單元模擬繩索的松弛比較好。沿著節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)系X、Y、Z任意方向的平動(dòng)，無論是只受拉（纜） 選項(xiàng)，或者是只受壓（裂口）選項(xiàng)，LINK10單元均沒有包含彎曲剛度。該單元包含 應(yīng)力剛化、大變形等功能。下面介紹下LINK10單元的輸入輸出方式：LINK10單元的幾何特性、節(jié)點(diǎn)位置以及坐標(biāo)系見圖2-1，該單元利用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、 橫截面、初始應(yīng)變或間隙以及各項(xiàng)同性材料特性參數(shù)來定義。從節(jié)點(diǎn) I 到節(jié)點(diǎn) J 的 單元長(zhǎng)度方向即是單元的X軸方向。單元

32、的初始應(yīng)變根據(jù) /L計(jì)算，分子的為單元的長(zhǎng)度 L （根據(jù)節(jié)點(diǎn)I與J的 位置確定的）和應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)單元長(zhǎng)度 Lo 之間的差值。當(dāng)選項(xiàng)為纜時(shí)，應(yīng)變值為負(fù) 代表的意思是單元在松弛狀態(tài)。當(dāng)選項(xiàng)為裂口時(shí)，應(yīng)變值為正代表的意思是單元是 在裂開狀態(tài)。而裂口的值需要當(dāng)成單位長(zhǎng)度之值輸入。圖2-1單元的幾何特性、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和三維坐標(biāo)系示意圖F面介紹LINK10單元的輸入方式，如表2-1所示表2-1 LINK10單元輸出摘要單元名稱LINK10節(jié)點(diǎn)I , J自由度UX, UY, UZ （X, Y, Z 方向的平動(dòng)位移）實(shí)常數(shù)AREA（橫截面面積），ISTRN（初始應(yīng)變值，如果為負(fù)值則為每單位長(zhǎng)度間隙）如果ISTRN小

33、于0并且KEY0PT（3）= 0，則表面纜最初是松弛的。如果ISTRN大于0并且KEY0PT（3） = 1，表面裂口最初是打開的材料特性EX （彈模）,ALPX（熱膨脹系數(shù)），DENS（密度）,DAMP（對(duì)于阻尼域的矩 陣乘數(shù)K）面載荷無體載何溫度-T(I) ，T(J)特殊特性非線性、應(yīng)力剛化、大變形、單元生死KEYOPT(2)0 -表示松弛的纜沒有剛度1 -松弛的纜縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)有分配了小剛度2 -松弛的纜縱向運(yùn)動(dòng)并且在垂線方向也有運(yùn)動(dòng)（僅在應(yīng)力剛化時(shí)適用）時(shí) 分配了小剛度KEYOPT(3)0 -僅受拉（纜）選項(xiàng)1 -僅受壓（裂口）選項(xiàng)而LINK10單元的輸出形式有兩種，分別是：1、全部節(jié)點(diǎn)解的

34、節(jié)點(diǎn)位移；2、 附加的單元輸出，見表LINK10單元輸出信息表2-2。軸向力、應(yīng)力和單元應(yīng)變可以 輸出。纜選項(xiàng)只能得到正的值，裂口選項(xiàng)只能得到負(fù)的值。在一個(gè)子步結(jié)束時(shí)單元 所處的狀態(tài)（拉伸或者松弛，受壓或受拉）可以通過STAT的值看出。單元輸出定義表使用如下標(biāo)記：在名稱列表中的冒號(hào)（：）表示該項(xiàng)可以用分量名方法ETABLE ESOL來處理; O列表示該項(xiàng)可用于Jobname.OUT文件；R列表示該項(xiàng)可用于結(jié)果文件。無論?；騌列，丫表示該項(xiàng)總是可用的，數(shù)字表示表的一個(gè)注解（說明了使用 該項(xiàng)的條件）；而減號(hào)“-”表示該項(xiàng)不可用。表1 LINK10單元輸出信息表名稱定義OREL單元號(hào)YYNODES單

35、兀節(jié)點(diǎn)號(hào)（I and J）YYMAT單兀材料號(hào)YYVOLU:單元體積-YXC, YC，ZC輸出結(jié)果的位置Y2TEMP溫度 T(I), T(J)YYSTAT單元所處狀態(tài)11MFORX單元坐標(biāo)系中力的項(xiàng)YYSAXL軸向應(yīng)力YYEPELAXL軸向彈性應(yīng)變YYEPTHAXL軸向熱應(yīng)變YYEPINAXL軸向初始應(yīng)變YY1、單元輸出狀態(tài)值 纜受拉或者裂口受壓 纜松弛或者裂口打開2、只有在質(zhì)心作為*GET項(xiàng)時(shí)可用。LINK10的使用有一些假定和限制：?jiǎn)卧拈L(zhǎng)度一定要為正，所以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不可以重合。單元的面積也是要為正。 并設(shè)定溫度隨著桿長(zhǎng)線性變化。假如初始應(yīng)變?yōu)榱悖瑒t單元的剛度就包含于首個(gè)子步內(nèi)。選項(xiàng)為裂口時(shí)

36、（只受 壓力），節(jié)點(diǎn)J比較節(jié)點(diǎn)I產(chǎn)生正值的軸向位移（在原單元的坐標(biāo)系）一般代表沒 有關(guān)閉裂口選項(xiàng)。LINK10設(shè)計(jì)程序求解如下：在首個(gè)子步初始時(shí)的單元狀態(tài)決定于初始應(yīng)變或裂 口的輸入值，如果對(duì)于纜選項(xiàng)這個(gè)值小于 0，則對(duì)于這個(gè)子步來說單元的剛度被認(rèn) 為是0。如果在這個(gè)子步結(jié)束時(shí)STAT= 2,那么單元的0剛度值被用于下一個(gè)子步; 如果STAT= 1,單元的剛度值包括在下一個(gè)子步內(nèi)。無重要的剛度值和帶有一個(gè)負(fù) 值相對(duì)位移的纜選項(xiàng)以及帶有一個(gè)正值相對(duì)位移的裂口選項(xiàng)相關(guān)的。單元是非線性并且需要一個(gè)迭代解。如果單元所處狀態(tài)在一個(gè)子步內(nèi)改變了， 那么這個(gè)改變的影響在下一個(gè)子步內(nèi)也存在。非收斂的子步不是平

37、衡狀態(tài)。 初始應(yīng)變也可用來計(jì)算應(yīng)力剛度矩陣，如果有的話，是用在第一次的累積迭代。應(yīng) 力剛化總是用來為纜下垂問題提供數(shù)值穩(wěn)定。應(yīng)力剛化和大變形影響可以和一些纜的問題一起使用。產(chǎn)品限制，如果在下面列出的 ANSY產(chǎn)品中使用這種單元時(shí)，除了上面列出的 一般假設(shè)和約束外，對(duì)這種單元還有其它規(guī)定的產(chǎn)品特殊限制。1、DAMP材料屬性不允許2、 單元生死特定性質(zhì)不允許。2.3 APDL簡(jiǎn)介APDL是 ANSYS Parametric Design Language 的縮寫，即 ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語 言，APDL是一種解釋性語言，它可以提供實(shí)現(xiàn)一般程序語言的功能，如參數(shù)、宏、 標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算。分支、循

38、環(huán)、重復(fù)以及訪問 ANSYST限元數(shù)據(jù)庫(kù)等。除此 之外，APDL還提供簡(jiǎn)單頁(yè)面定制功能功能，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互功能、消息機(jī)制、界 面驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行應(yīng)用程序還可以分析程序的二次開發(fā)等。利用APDL的程序程序語言和宏技術(shù)組織管理 ANSYS勺有限元分析命令，可以 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、實(shí)施參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化處理結(jié)果的顯示，從而實(shí)現(xiàn)參 數(shù)化有限元的分析。在參數(shù)化分析的過程中可以簡(jiǎn)單的修改它的參數(shù)，從而修改其 各種尺寸，不同的載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案。很大程度上提高了分析效率，減化了 手動(dòng)編程的繁瑣性。另外，APDL也是ANSYSS計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)，只有設(shè)計(jì)合理的參數(shù) 化分析流程才可以對(duì)其中設(shè)計(jì)參數(shù)執(zhí)行改進(jìn)，達(dá)

39、到最優(yōu)化實(shí)際目標(biāo)?？傊?，APDL拓展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力。可以建立標(biāo)準(zhǔn)化零件庫(kù)、 設(shè)計(jì)修改、設(shè)計(jì)優(yōu)化等更加高級(jí)的數(shù)據(jù)處理能力。包括靈敏度的研究等，同時(shí)也提 供了 Workbench用戶分析的深度和廣度。第 3 章 接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立本章主要介紹接觸網(wǎng)模型的建立。模型的建立基于有限元理論和傳統(tǒng)力學(xué)的分 析方法，建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)化模型。經(jīng)過 ANSY有限元分析軟件的計(jì)算與迭代 求解，找型確定初始狀態(tài)，求解吊弦長(zhǎng)度，得到計(jì)算求解后的幾何模型。進(jìn)而為下 一章彈性研究做鋪墊，第四章主要通過改變其參數(shù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移量，并對(duì)比計(jì)算 彈性和彈性均勻度，可以用于接觸網(wǎng)彈性分析，得出各種參數(shù)改變對(duì)

40、接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈 性影響的結(jié)論，分析結(jié)論確立科學(xué)的結(jié)構(gòu)模型達(dá)到接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性均勻和彈性良好 這個(gè)特點(diǎn)，為接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)施工提供科學(xué)依據(jù)。3.1 本文所研究接觸網(wǎng)的處理接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要是由三個(gè)部分組合而成：第一個(gè)重要組成部分是是架空接觸網(wǎng) 導(dǎo)線與線索包括承力索、接觸線、回流線、接地線、防雷線、饋電線再加上安裝在 裝置上的加強(qiáng)線。第二個(gè)重要組成部分是安裝在接觸網(wǎng)線路同一支持裝置上的監(jiān) 視、開關(guān)機(jī)構(gòu)以及保護(hù)設(shè)備。第三個(gè)部分包含支持結(jié)構(gòu)以及支撐、支持、調(diào)整接觸 線和承力索的裝置。由于本人科研實(shí)力有限，所以在論文中本人以接觸網(wǎng)系統(tǒng)中第一個(gè)主要部分建 立模型研究計(jì)算， 這里主要建模研究對(duì)象為架空接觸懸掛的線索和導(dǎo)

41、線為主要研究 對(duì)象。這些線索導(dǎo)線包含了接觸線、承力索、吊弦，彈性吊索。這種接觸懸掛是我 國(guó)高速鐵路最常用的懸掛方式， 主要是簡(jiǎn)單鏈型懸掛和彈性鏈型鏈形懸掛兩種。 接 觸線、承力索、吊弦和彈性吊索。這些線索只能收拉不能受壓力。選用單元建模是 就要先要確定單元的選型，把單元模型設(shè)置成只能受拉不能受壓。選用合理的單元 建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型， 這樣可以比較科學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)行接觸網(wǎng)模型的有限元 仿真分析。本論文中不考慮支柱懸掛點(diǎn)處的腕臂，也忽略每個(gè)吊弦處的線夾質(zhì)量。這樣做 是為了簡(jiǎn)化接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，便于 APDL參數(shù)化語言編程。所以在本文中的接觸網(wǎng) 系統(tǒng)模型就簡(jiǎn)化為承力索和接觸線通過吊弦以及彈性吊索鏈

42、接而成的柔性網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)。3.1.1 承力索、接觸線的單元選型從整個(gè)錨段來看，承力索和接觸線是一種長(zhǎng)細(xì)的結(jié)構(gòu)模型。是柔性懸掛結(jié)構(gòu)， 不需要考慮其結(jié)構(gòu)剛度比如剪力、彎矩等。索在物理力學(xué)模型里面是柔性的，只能 受拉力，收到壓力時(shí)其剛性消失。正好力學(xué)上的二力桿原件既可以承受壓力又可以 承受拉力。所以用桿單元模擬承力索和接觸線比較合適。這樣可以很大程度上簡(jiǎn)化 了接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種近似在一定范圍內(nèi)是可以接受的，但是如果計(jì)算精度要求 較高，還需要考慮這兩種線索的彎矩，此時(shí)用梁?jiǎn)卧M該結(jié)構(gòu)。我們?cè)谧鲇邢拊?模擬仿真時(shí)， 對(duì)于單元的選取正確與否直接影響計(jì)算結(jié)果。 本論文中， 選擇 LINk10 單元來模擬桿

43、單元，在設(shè)計(jì)拉力壓力選項(xiàng)時(shí)選擇只收拉力，及收到壓力剛性消失。 這樣可以很大程度的適用于實(shí)際的工程問題。3.1.2 吊弦和彈性吊索的單元選型 作為鏈接承力索與接觸線的重要結(jié)構(gòu)單元，彈性吊索和吊弦也是柔性的懸掛結(jié) 構(gòu)，它們跟接觸線以及承力索的力學(xué)模型一樣，都是只能受拉不能受壓的。所以在 本論文中，也是采用 LINK10 單元模擬這兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元。3.1.3 線夾和定位懸掛裝置的處理對(duì)于實(shí)際的接觸網(wǎng)，結(jié)構(gòu)連接處比較多，在 ANSYS當(dāng)中可以處理為質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行加在，在質(zhì)量點(diǎn)上可以加載力或者重力等信息，以集中荷載的方式加入到接 觸網(wǎng)系統(tǒng)有限元模型的荷載矩陣?yán)?。在?shí)際處理中我們先不考慮先夾質(zhì)量。這樣可

44、以更為方便進(jìn)行理論計(jì)算。本文中處理定位懸掛的方式就是后文對(duì)接觸線、承力索 的邊界條件的處理方式。也就是固定接觸線、承力索的軸向兩端，對(duì)其X、Y 方向的自由度進(jìn)行約束。3.2 接觸網(wǎng)模型的建立3.2.1 參數(shù)的輸入由于該模型中的接觸線、承力索、彈性吊索、吊弦的力學(xué)模型都是只能軸向受拉不能受壓的結(jié)構(gòu)，本文用LINK10單元來模擬該結(jié)構(gòu)。LINK10首先要對(duì)單元進(jìn)行定義， 它要求輸入一系列參數(shù)如接觸線、承力索、吊弦的橫截面面積 A,初始應(yīng)變ISTRN。 還有線材的一些材料參數(shù)如彈性模量 E線材的密度和泊松比。這里介紹一下初始應(yīng) 變ISTRN的求解，這些索單元的初始應(yīng)變是根據(jù)確定的，這里的，L1是零應(yīng)

45、變的長(zhǎng),所以相對(duì)于一根索來講即為L(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的，因?yàn)?，?？梢酝茖?dǎo)的出初始應(yīng)變的值，即， 其中是索的應(yīng)變，N是線索的張力，A是各種線索的橫截面面，E是各種線材的彈性模量。這里比較特殊的是吊弦，因?yàn)樵诮⒛Ｐ偷臅r(shí)候沒有給出吊弦的張力，它的初始應(yīng)變的求法，是把其自身的重量作為線張力來帶入計(jì)算求解得到ISTRN322約束、載荷的施加以及找型有限元理論告訴我們，LINK10對(duì)以上模型的參數(shù)輸入僅僅定義了模型中每個(gè)索 的本構(gòu)方程所對(duì)應(yīng)的剛度矩陣。這是得不到穩(wěn)定解的。如果要想得到該矩陣的穩(wěn)定 解，我們要加入邊界條件。這個(gè)邊界條件在本論文的有限元模型中就是對(duì)桿單元的 軸向兩端進(jìn)行X、丫方向上自由度約束以及施加載荷

46、，這里的載荷就是線索的材料 重量，在下一章的彈性研究中又多了靜態(tài)抬升力這個(gè)載荷。這個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài) 模型中，各個(gè)線索（接觸線、承力索、吊弦、彈性吊索）都是在同一個(gè)水平面，是 一個(gè)二維結(jié)構(gòu)模型。由于這里我們把索的張力等效為其初始應(yīng)變值，因此，可以把 兩端固定來建立模型。因?yàn)榻佑|網(wǎng)系統(tǒng)的線材不一致，所以重力載荷不均勻，是非 線性的。必須對(duì)模型計(jì)算找型。找型過程中，我們只知道在重力作用下的接觸線高 度以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)高度，初始狀態(tài)接觸線，承力索水平放置，施加重力，求其 變形時(shí)候接觸線上每個(gè)吊弦處的節(jié)點(diǎn)變形位移值及方向，然后在該節(jié)點(diǎn)上加上上個(gè) 變形后的節(jié)點(diǎn)位移矢量，這樣就得到新的接觸網(wǎng)系統(tǒng)幾何模

47、型，再循環(huán)上訴操作，最 后看每個(gè)節(jié)點(diǎn)位移矢量的的模，該值越小，接觸線就越接近水平，本論文里計(jì)算精度 在毫米范圍，即控制前后兩次找型的位移差，越小說明越趨向于穩(wěn)定。ANSYS?序的前后兩次迭代的位移差趨近于零，在實(shí)際問題中，滿足工程的精度需求即可。單獨(dú)建立承力索模型和經(jīng)驗(yàn)公式求弛度的對(duì)比本小節(jié)主要建立一個(gè)單獨(dú)的承力索模型，即一個(gè)兩端固定的柔性索，并在承力 索兩端施加21KN的張力。其具體參數(shù)如下表 3-1所示表3-1承力索輸入資料承力索張力T21KN跨距L65m材料密度8890kg/彈性模量E1.2 Pa泊松比0.33線重量g*10.45N/m建立承力索的模型后，施加垂直向下的重力，得到如圖3-

48、1的變形圖，然后根據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)的求弛度的方式再求一次，對(duì)比該結(jié)果，確定建立有限元模型研究接觸ANSYSOCT ie 2014網(wǎng)系統(tǒng)彈性的可行性。DispxjtCEHurrSTEM SXTB ?TIME-1IKL圖3-1有限元模型求承力索弛度在大三的接觸網(wǎng)課程學(xué)習(xí)中，我們了解到了接觸網(wǎng)教材里面求弛度的經(jīng)驗(yàn)公式是，帶入表3-1中的承力索輸入?yún)?shù)，計(jì)算求解得到F的值近似為0.266292m。而由 圖3-1中ANSY建模計(jì)算得到弛度大小是 0.26652m。對(duì)比可知該數(shù)據(jù)已經(jīng)基本上滿 足一般精度的要求了，對(duì)一般的工程完全可以適用。通過這個(gè)對(duì)比計(jì)算也充分證明 通過建立ANSY有限元模型對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性仿真

49、計(jì)算的可行性。3.3 簡(jiǎn)單鏈形懸掛的有限元模型與上一小節(jié)相似，現(xiàn)在要建立簡(jiǎn)單鏈形懸掛的有限元模型。該模型包含主要三 種線索，分別接觸線、承力索和吊弦。接觸線、吊弦和承力索一樣也是只能受拉的 桿單元。它們都是用LINK10單元模擬，接觸線和承力索的軸向兩斷約束 X、丫方向 上的自由度。先介紹該系統(tǒng)的物理模型和輸入?yún)?shù)。在本論文中，選用CTMH15型接觸線、JTMH12C型承力索以及JTMH1（型吊弦。具體的參數(shù)大小如表 3-2所示。表3-2三種線索輸入?yún)?shù)接觸線承力索吊弦線性材料CTMH150JTMH120JTMH10截面積(mm2)150116.999.62線材密度(kg/m)1.3501.0

50、650.089彈性模量(Pa)1.2 10111.2 10111.2 1011泊松比0.330.330.33線索張力(kN)27211.3吊弦根數(shù)(根)7第一吊弦間距(m)5結(jié)構(gòu)高度(m)1.6跨距(m)65該模型的物理模型如圖3-2所示，接觸線、承力索水平放置，其軸向兩端固定,兩段吊弦距離接觸線的下錨位置的 X軸距離各為5米，其余5根吊弦等距放置，距離為55/6米，該模型的結(jié)構(gòu)高度為1.6米。并設(shè)三種線索有相同的彈性模量。10A匚圖3-2單跨簡(jiǎn)鏈的初始計(jì)算模型經(jīng)過ANSY騙程求解后其穩(wěn)定收斂的幾何模型如圖 3-3所示NODAL 30UJTIIMstsf=1SuS =21TTWE-LUY(AV

51、S)MTg=0聃供=,004 盤址卻=-00244ANSYSR164JVN 5 ；015Ut 40134-t0O24«*££4£-03J£l 攀:£ QO 気二箭DD1縫£=軸眈詞心0"4翻托RD界SMX =.004MXft_*JTT圖3-3有限元求解后單跨簡(jiǎn)鏈模型的位移圖由圖3-3可已看出，接觸線的變形位移的大小已經(jīng)在毫米精度了，接觸線可以近似看作為水平線。所以承力索的丫坐標(biāo)就可以直接近似看作是吊弦的長(zhǎng)度了。然后查看節(jié)點(diǎn)11、12、13、14、15、16、17的丫坐標(biāo)就可以得出吊弦的長(zhǎng)度了，如 圖3-4所示。LI

52、STRLL總ELECTEDHODK.DS¥S-eEOHTiniiLE OH HUAt NODE NODKNODEHVzt0. P訶0(1仇_ 000(125 B0O-®a27266E-030L 0006131-1. Lb?-®4¥3blE-U3d.UHUH2J-334«.6M41¥L MJfl.AARA41 .668SB.835-« 4934"7E-030.000460.002-®s27353E-039GS,0BHU.UUUtt1R0 0RRR1.60000LRAHA114.99S31.4271214.I

53、M丄-丄E右余0.0盹苗131d U12214aa.teiS.BHSU1541 - fi?H10423R.RfIFm1&5t3.83l* ”1E 辭17GB.041.42800.00 eeIKbb.HUHJ-.bUUe0.0哂的13圖3-4單跨簡(jiǎn)鏈有限元求解后的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)所以得出單跨簡(jiǎn)單鏈型懸掛的各吊弦長(zhǎng)度如下表3-3所示:表3-3單跨簡(jiǎn)鏈懸掛的吊弦長(zhǎng)度（m吊弦位置1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)6號(hào)7號(hào)吊弦長(zhǎng)度1.42791.18691.04220.99401.04231.18691.4280由上表可以看出，吊弦的長(zhǎng)度具有對(duì)稱性，中跨的吊弦長(zhǎng)度最短。其實(shí)這些吊 弦長(zhǎng)度還可以通過傳統(tǒng)力學(xué)中柔性繩索

54、求弛度的經(jīng)驗(yàn)公式求得，結(jié)果與仿真求解的 結(jié)果相似，在本章不再贅述。3.4 三跨彈性鏈形懸掛的有限元模型與上一小節(jié)建立單跨簡(jiǎn)單鏈型懸掛模型相似，保持與簡(jiǎn)單鏈型懸掛的參數(shù)相同，即相同型號(hào)的接觸線、承力索和吊弦。它們有相同的泊松比和彈性模量。跟簡(jiǎn) 單鏈型懸掛方式不同，彈性鏈型懸掛在每個(gè)支柱處的兩側(cè)添加了彈性吊索，彈性吊 索也是一種柔性索結(jié)構(gòu)，跟前面幾種線索一樣僅受拉力。固也用LINK10單元來模擬該吊索。在本模型中，前后兩跨中接觸線、承力索的軸向邊端仍然要進(jìn)行固定， 約束其X、丫方向上的自由度，這一點(diǎn)跟建立單跨簡(jiǎn)單鏈型懸掛的時(shí)候一樣。不同 的是，在中跨兩端的支柱處要施加 丫方向的約束。該模型具體的輸

55、入?yún)?shù)見表3-4.表3-4基本輸入?yún)?shù)資料接觸線承力索吊弦彈性吊索線性材料CTMH150JTMH120JTMH10JTMH35截面積（mm ）150116.999.6235線材密度（kg/m）1.3501.0650.0890.310彈性模量（Pa）1.2 10111.2 10111.2 10111.2 1011泊松比0.330.330.330.33線索張力（kN）2721-3.5初始應(yīng)力20.1490061020.149585100.1 10 60.8488510 3吊弦根數(shù)（根）7第一吊弦間距（m）5結(jié)構(gòu)高度（m）1.6跨距（m）65彈性吊索長(zhǎng)度（m18初始建立模型時(shí)，接觸線、承力索水平放置

56、，彈性吊索水平懸掛在支柱兩側(cè),吊弦初始高度為結(jié)構(gòu)高度。如圖3-5所示ANSYSg 2 >15圖3-5三跨彈型鏈型懸掛初始模型丫方向上放大10倍后，如圖3-6所示ANSYSR16Jjxm 2 201S 切MW24«匹H 11繆*'聖if M 陽(yáng)平.S« iS_，"'J r、P e J JO 11 IS 1311 IS1939 腫圖3-6 丫方向放大10倍效果圖三跨彈鏈模型計(jì)算方法以及邊界條件設(shè)置與單跨度相似，在最后一次計(jì)算接觸線節(jié)點(diǎn)處位移差時(shí)，計(jì)算后得到的有限元模型節(jié)點(diǎn)為2到節(jié)點(diǎn)24在丫方向的位移大小為 0.002983、0.00222、0.00324、0.001915、0.002241、0.02225、0.002903 等這次計(jì)算完成的丫向位移值較第一次求解的位移變