接触网腕臂结构分析软件的开发与应用

1接触网腕臂结构分析软件的开发与应用摘要：对于接触网腕臂结构，传统设计依赖解析方法求解，并伴有许多假设和简化“通过编译针对腕臂结构，基于ANSYS的有限元分析软件，对这类工程问题能进行高精度，高效求解”。关键词：电气化铁路；接触网；腕臂结构；有限元分析；参数化分析程序1概述随着我国电气化铁路里程的日益增加及铁路运营速度的提高，对电气化铁路接触网的可靠性的要求也日益严格“接触网腕臂结构是整个接触网系统的重要组成部分，其强度和可靠性对于保障列车的运行安全具有重大意义”。腕臂结构是复杂的网状杆系结构“结构主体有铝质或钢质管材组成，还包括各种金属线夹，陶瓷绝缘子及拉线等”材料多样且结构复杂，载荷除腕臂正常工作载荷以外，还包含结构自重，风载，覆冰载荷及维修人员重量等，载荷情况复杂“采用结构计算的传统分析方法校核腕臂结构，计算周期长且精度较低，已经远远不能满足大规模设计的要求，采用计算机辅助的有限元分析方法（FEM）是适应设计要求的必然选择”。针对腕臂结构计算的具体问题，开发相应的有限元分析2软件，可以高效，直观，量化地看到腕臂结构在外力分布作用下的应力分布及变形“以往对腕臂结构的分析计算，由于计算周期长且精度较低，只能根据经验选择小部分危险0设计，对其订量分析；而对于其他部分的设计，工程师只能依靠设计经验，无法做到心中有数0“随着目前对整个接触网强度和可靠性的要求日益提高，对腕臂结构在外力作用下的应力分布仅仅停留在常规分析已经远远不能满足现实的要求”。运用针对接触网腕臂结构的有限元分析软件，工程师可以在完成结构几何参数设计的同时，得到此结构在外载荷作用下的应力分布及变形情况，判断出设计的可行性，从而保证设计质量。2腕臂结构计算软件ANSYS是在结构分析领域中被广泛采用的专业有限元软件“该软件具有强大的计算分析功能，可用于对部分结构强度，刚性分析，结构动力响应分析等多方面的分析计算”但要求每一个工程师都能掌握有限元结构分析的相关背景知识，并熟练掌握ANSYS软件，解决实际工程问题，是不现实且没有必要的“。针对接触网腕臂结构计算的具体问题，以ANSYS为基础二次开发，发展相应的计算软件，是工程师能够快速对设计3做出评价，从而为改进设计提供依据。腕臂结构计算软件的工作流程如图1所示图1软件的基本工作流程（1）软件的开发软件采用VisualBasic610应用程序开发工具编写用户界面包括参数输入界面和结果显示界面“参数输入界面如图2所示”用户可选择计算的腕臂结构形式，输入腕臂结构尺寸，腕臂管材质和载荷大小等相关参数，软件根据用户输入参数，建立腕臂有限元计算模型，利用APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)工具，生成AN2SYA可调用的腕臂结构计算命令文件“调用ANSYS程序对问题解算，并控制程序输出计4算结果”在计算完成后，启动结果显示界面（图3）图2软件的参数输入界面图3软件计算结果显示界面图3可显示计算的结构最大应力值和最大变形量大小，还可显示腕臂结构的有限元单元分布图，应力分布图和变形5图，直观反映分布情况。软件同时提供保存，读取计算原始资料及计算结果功能，以便各设计方案的对比选择。（2）有限元模型的建立针对接触网腕臂结构的形状与受力的特点，选用Pipel6三维实体单元模拟平腕臂管，斜腕臂管，定位管和各支撑管，并根据输入参数定义各管的材质特性，截面尺寸特征和结构尺寸。对于结构的胶结连接，通过耦合相关节点的位移自由度实现（coupleddegreesoffreedom）。（3）腕臂载荷约束的处理根据接触网腕臂结构的安装工作情况，依照电气化铁道接触网零部件（TB/T20751120751542002）处理结构载荷和约束。对于腕臂结构的集中作用力，包括定位器的水平之字力和垂直载荷，模型以集中载荷的形式将载荷加载于对应单元节点上“对于结构重量，覆冰等分布载荷的处理，是在单元材料属性添加当量密度，并在模型中给定重力加速度场来模拟。在腕臂结构有限元模型中，约束支撑节点的X，Y方向的平移模拟腕臂的支撑“由于腕臂结构是平面内的变形问题，而Pipel6单元节点具有3个方向的平移自由度和3个旋转自6由度，在模型中还约束了各节点平面外的平移和旋转自由度，保证解算的正常进行”。（4）计算结果输出软件控制ANSYA输出计算结果包括的有限元单元分布图，应力分布图，变形图和计算数据文件，计算数据文件包含有限元模型各单元的变形量（DefomedSharp）弯曲应力（BendingStress）轴向应力图（AxialStress）合成应力（vonMisesStress）列表。3应用实例在铁道第四勘察设计院承担的武汉至广州，郑州至西安高速客运专线等多项线路的腕臂结构设计工作中，广泛应用了该软件。以武汉至广州高速客运专线某非支腕臂结构为例，说明软件在腕臂结构参数设计的使用情况，图4所示为一种正定位非支腕臂结构的初始方案A和改进方案B，两方案采用的各腕臂管材型号相同，仅腕臂管的结构布置尺寸不同，分别对上述两方案铝结构，钢结构作计算分析，图4同时显示了两方案的应力分布“具体计算结果见表1”7图4非支腕臂结构分析表1计算结果从分析结果可知，由于非支腕臂结构承受较大的载荷，铝制结构方案的最大应力都不同程度地超过对应材料的极限屈服强度，会发生局部塑性变形“改进设计中应考虑适应加大管径，提高结构承载能力”，而钢结构的腕臂设计则能够满足要求。4结论8腕臂结构分析软件的实际应用表明：（1）软件可校核多种形式的腕臂结构，并可模拟不同材质载荷情况，完全满足腕臂结构设计要求；（2）与原有计算校核和手段相比，软件的使用具有高效，直观且计算精度高的优点；（3）该软件便于设计人员掌握，使用简单方便，能有效地提高腕臂结构的设计效率；（4）以计算结果为依据，通过比较各相关设计的应力分布及变形情况，改进优化腕臂结构的设计，提高设计质量；（5）了解结构各部分变化对计算结果的影响和不同结构设计的优劣，加深设计人员对设计对象的理解，提高设计人员的设计水平。5软件开发和使用任何一种计算机软件，由于受开发水平，经验，开发阶段等限制，都有使用局限，因此不可能做到与现实工程设计情况完全吻合，为避免错误使用CAD软件，可在软件开发和使用中，采取以下措施：（1）软件使用人员应明确软件使用条件及范围；（2）在软件设计中，完善在线提示，帮助等功能，并建立数据检察环节，监察，防止错误数据输入；（3）根据现实工程设计情况变化，升级软件，以符合新的9设计要求；（4）工程技术人员依靠专业理论和工程经验，对辅助的设计结果进行校核和修正。参考文献：【1】于万聚.交流电气化铁道接触网设计基础【M】.北京：中国铁道出版社，1988【2】辛希孟.铁路电力牵引供电设计规范【S】.【3】TB/2073)2003,电气化铁道接触网零部件技术条件【S】.【4】吉鹏宵.电气化铁道接触网规范设计施工实用手册【M】.北京：人民铁道出版社，2005