ANSYS有限元在腕臂结构计算中的运用论文_杨袁煌

中铁第四勘察设计院集团有限公司

摘要:在接触网系统中,接触网腕臂支持结构的功能是支撑、定位并承受机械与电气荷载作用。腕臂结构的工作性能、稳定性与可靠性直接影响接触悬挂系统的稳定性及可靠性,通过总体分析可以了解两者之间的关系,进而对腕臂结构进行优化设计以提高腕臂系统的稳定性,因此对腕臂结构的精确分析意义重大。本文通过对有限元的计算方法介绍,阐述了利用ANSYS有限元软件对腕臂系统结构的受力计算的计算过程,总结腕臂系统的受力规律,为接触网系统腕臂结构设计提供可一种计算参考方法。

关键词:腕臂系统;原理介绍;分析计算;有限元;ANSYS

一、常规腕臂系统的理论计算方法介绍

图1 旋转腕臂安装示意图

①—水平腕臂 ②—斜腕臂 ③—定位管 ④—定位管支撑 ⑤—棒式绝缘子

腕臂支持装置是由主要的受力件即平、斜腕臂管、 定位管、定位器、绝缘子及其连接、支持、定位、固定等零部件组成。腕臂支持结构属于超静定结构,为便于公式推导和手工计算,以往分析时常将结构做一些简化,如忽略套管双耳等连接件,将承力索的荷载直接加到平腕臂上,将接触线的荷载直接加到定位换上等;再通过将定位管简化为简支梁结构;将平腕臂简化为悬臂+简支结构;将斜腕臂简化为简支梁结构,对每个构件分别进行强度、刚度、稳定性进行分析(静力学计算)。

传统的手工计算方法虽然能系统的校验腕臂各构件的安全性,但毕竟手工计算比较繁琐,计算结果不直观,且存在较明显的问题,如忽略连接件,则结构的几何尺寸与实际不一致,连接件对腕臂管的附加弯矩未计入。

二、有限元的基本原理介绍

有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。有限元的核心思想是将结构离散化,将实际结构离散为有限数目的规则单元系统,即将无限自由度的求解问题转化为有限自由度的问题,通过建立数学方程获得有限自由度的解,这样可以解决许多采用理论分析方法无法求解的复杂工程问题。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析可分成三个阶段,前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型,完成单元网格划分;后处理则是采集处理分析结果,使用户能简便提取信息,了解计算结果;具体操作步骤如下:

1)前处理模块:创建有限元模型

(1)创建或读入限元模型

(2)定义材料属性

(3)划分网格

2)求解模块:施加载荷并求解

(1)施加载荷及设定约束条件

(2)求解

3)后处理模块:查看结果

(1)查看分析结果

(2)检查结果是否正确

三、采用ANSYS有限元软件分析腕臂结构的意义

对于腕臂结构的几何模型由若干个关键点的位置坐标来描述,根据几何尺寸首先确定各关键点的坐标,再进行相关点之间的连接以构成模型。在对关键点编号与连线时,应预先考虑有限元模型中的节点耦合的要求。故腕臂结构分析程序可在通用有限元分析软件ANSYS系统内进行开发;腕臂结构采用ANSYS有限元进行分析具有以下等意义:

1)、几何模型准确,成果信息丰富,能精确反应实际情况。

2)、能模拟各种工作状态,为零件研制和校核、样机实验和定制相关标准参数提供依据和参考。

3)、通过计算可以得到各个零部件的内力,为制定合理的零部件荷载标准提供有力的依据。

4)、能综合考查腕臂结构的工作性能,进而对各构件优化设计。

四、利用ANSYS对腕臂结构分析计算步骤

1)、结合线路的气象条件、张力体系、跨距、拉出值等工况条件,归纳计算作用在腕臂上的荷载大小,见表1;

表1 腕臂用的外部荷载归算表(供参考)

注:表1中外部荷载的计算条件均按直线或曲线半径R>5000m的曲线考虑,对于其它不在该范围内的线路条件应根据实际情况具体分析;限界暂按3.7m考虑。

2)、收集腕臂结构系统的材料参数及几何尺寸,见表2

3、根据安装图信息,确定腕臂结构的模型、安装尺寸见图2;

5、根据步骤2收集的材料参数,定义腕臂结构系统各杆件的材料参数;

6、定义约束条件,选择约束方程,划分腕臂结构单元网格;

7、根据步骤1归纳总结的荷载,施加荷载;

8、求解;

9、结果读取、分析结果,见图4、图5;

图4腕臂有限元计算位移及应力云图(钢腕臂)

图5 腕臂有限元计算位移及应力云图(铝合金)

从以上分析计算步骤可以看出,利用ANYSYS有限元软件对腕臂结构进行分析具有以下等优点:

1)、可以更方便的处理一般工况荷载条件。

2)、可以模拟出几种不同材料构成的结构系统,提供较为准确的分析计算。

3)、可以随时改变模型的边界条件。

4)、可以随时改变有限元模型,对腕臂结构设计进行优化调整。

5)、结果输出简单明了,容易掌握腕臂结构的受力状态和变形规律,指导下一步的优化设计。

五、结合ANSYS有限元软件对腕臂结构优化设计的一些结论

1)平腕臂长度不大于3.3m时,腕臂系统能满足正常使用要求。

2)平腕臂长度大于3.3m时,应根据具体工点、工况设计分析。

3)通过调整平斜腕臂管的厚度可以很大程度的改善腕臂系统的挠度,该方式在大限界腕臂设计优化设计时效果最为显著。

4)通过合理布置腕臂管支撑的布置位置(如下图示),平腕臂上连接腕臂支撑的套管双耳尽量靠近平腕臂绝缘子,斜腕臂上连接腕臂支撑的套管双耳尽量靠近定位管卡子,可以很大程度的改善腕臂系统的挠度,该方式对改善大限界腕臂的挠度仅次于增加腕臂管的厚度。

6)腕臂系统中有且仅有一处腕臂支撑时,尽量避免平腕臂上的套管双耳位置在平腕臂中心部位,对改善腕臂系统的挠度不但没有好处反而会增加腕臂系统的挠度(如下图示)。

参考文献:

[1]毛德培 《钢结构》教材 中国铁道出版社

[2]中华人民共和国国家行业标准 《铁路电力牵引供电工程设计规范》

[3]刘峰涛 电气化铁道 2004年第6期 《接触网腕臂支持结构的仿真分析》

[4]中国铁道出版社 1983年 《接触网设计手册》

论文作者:杨袁煌

论文发表刊物:《基层建设》2016年9期

论文发表时间:2016/7/26

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