基于有限元的接触网吊柱改造方案设计

时间：2024-07-28

古晓东，林德福，吕波，宋敏

0 引言

双线隧道内接触网支柱一般采用吊柱的形式，并辅以斜支撑。由于隧道内空间狭小，当施工误差较大或其他因素影响时，有可能产生正馈线与吊柱斜撑绝缘距离不足的问题，解决方法有改变正馈线安装位置或改造吊柱2种。在隧道内预埋件位置已经固定，正馈线安装位置难以改变的情况下，只能制定针对吊柱的整改方案来保证绝缘距离。

在接触网系统中，接触网支柱的功能是支撑接触悬挂并承受相应的机械荷载作用。吊柱的工作性能、稳定性与可靠性直接影响接触悬挂系统的稳定性与可靠性，对其进行整改必然会使其工作性能产生改变，因此需要通过精确的力学分析来确定吊柱的改造方案。

以往对类似结构分析时，为便于公式推导和手工计算，分析时常将结构做一些简化，如忽略腕臂结构的安装形式直接将接触线和承力索上的载荷转化到支柱上，对于腕臂自身连接件，以及荷载作用位置与实际情况有出入，这些均导致计算结果不准确，从而对后续的设计分析造成不利影响。鉴于此，本文拟用有限元理论并通过ANSYS软件进行吊柱改造方案设计，以期做到全面、准确。

1 有限元分析方法

1.1 接触网的有限元分析

有限元法的基本思想是用分片函数去逼近原函数，即把无限自由度问题转化为有限自由度的问题，再求解一个线性方程组，得到原方程的近似解，它是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。在求解过程中，求解域被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，然后推导求解该域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

接触网系统是一个十分复杂的空间杆件系统，有限元法能针对接触网的实际结构边界条件及约束特性进行定量的分析计算，为设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并可利用相关的仿真分析软件提供丰富的动态图形显示，既直观又准确。

1.2 ANSYS分析流程

随着计算机技术的发展，基于有限元理论的仿真软件逐步得到应用，其中ANSYS功能强大，易用性强，适合用于接触网结构分析。

ANSYS软件主要包括3部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造接触网的有限元模型。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示等图形方式显示，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

利用ANSYS进行接触网分析过程包括：建立接触网的有限元模型、施加边界条件、求解、结果分析。ANSYS软件提供了2种操作方式，即用户图形界面（GUI）操作与参数化设计语言（APDL）操作。APDL语言可由任何ASCII文件的编辑软件生成，建立的命令流文件不受软件版本和系统平台的限制，有利于保存和交流，适用于复杂模型的分析。2种操作方式各有其优势，因此在实际应用中可根据需要选用不同的方式进行操作。

2 实例分析

以某设计时速为250 km的工程为例，现场如图1所示，正馈线距离斜撑距离293 mm，不满足规范300 mm要求。由于预埋件已固定，正馈线位置无法改变，因此拟采取以下几种整改方案来增加绝缘距离：取消斜撑、斜撑内移60 mm、斜撑上移（距吊柱下端860 mm）。采用有限元分析方法，以受力条件更不利的反定位为例，建立ANSYS分析模型，采用APDL编制相应程序，逐一求解分析后最终确定推荐的整改方案。

图1 隧道内反定位安装图

2.1 几何建模

需要建立的模型包括腕臂支持系统、吊柱、斜撑，整个结构的几何模型根据实际的几何尺寸确定。除图1标出的参数外，其余相关参数有：跨距48 m、拉出值0.25 m、张力配置25 kN + 15 kN、吊柱长2 330 mm，平腕臂长2 300 mm，斜腕臂长1 940 mm，绝缘子长 760 mm，上下底座间距910 mm。

几何建模的关键在于对结构连接处的处理，在分析中，腕臂底座处、平斜腕臂连接处，腕臂支撑处、定位器底部、斜撑两端等连接方式均为铰接。铰接在 ANSYS中以节点耦合的方式实现较为方便，因此在创建关键点时，应预先考虑有限元模型中节点耦合的要求，以便实现对相关节点自由度的约束。

2.2 网格划分

几何模型不能用于计算分析，必须将其转化成有限元模型，生成有限元模型的方法就是对几何模型进行网格划分。网格划分包括定义单元属性、定义网格控制选项和生成网格3个步骤。

定义单元属性是关键步骤，包括单元类型、实常数，材料特性、截面号等。分析中，除吊柱底部的法兰采用实体单元 SOLID95，其余均选用二维线性有限应变梁单元 BEAM188进行模拟，BEAM188是一个基于 Timoshenko梁理论的二节点的三维线性梁，在每个节点上有6或7个自由度，具有扭切变形效果，适宜分析细长梁，可保证仿真的准确性和精度。

模型中定位器为铝合金材质，密度2 790 kg/m3，弹性模量73 GPa，泊松比0.33，其余部件均设为钢材质，密度7 800 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.26。

采用截面CTUBE模拟腕臂、定位管、定位器及斜撑，截面CSOLID模拟连接零件，采用空心矩形截面HREC模拟吊柱。截面尺寸：腕臂管Φ60 mm×5 mm，腕臂支撑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，斜撑Φ60 mm×5 mm。

将定义好的单元属性赋予几何图形元素，采用缺省的网格划分控制方法划分网格，生成的有限元模型如图2所示（以斜撑内移方案为例）。

图2 斜撑内移方案的有限元模型示意图

2.3 施加荷载

约束吊柱底部和斜撑底部所有自由度，参照TB2075-2010电气化铁道接触网零部件标准中对腕臂结构的要求，取承力索引起的水平力为3 500 N，垂直力为4 000 N，接触线引起的水平力为4 000 N，结构风速参照TB 10621-2009高速铁路设计规范（试行）条文说明，取垂直线路方向和顺线路方向结构设计风速为41 m/s，将吊柱上的风载荷按最不利于其变形情况的方向施加。进入求解器，选择静态分析，分别进行求解计算。