【正文】 接觸網(wǎng)彈性仿真計算設(shè)計方案一、 緒論 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，在高速運行和惡劣的氣候條件下，能保證電力機車正常取流，這就要求接觸網(wǎng)系統(tǒng)在機械結(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)計施工要科學(xué)合理。目前世界各國高鐵的運行速度都是在不斷提升，為了滿足列車運行的安全穩(wěn)定，對接觸網(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。 國內(nèi)外研究的狀況 現(xiàn)代高速鐵路大多數(shù)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)劣直接影響電力機車弓網(wǎng)的受流質(zhì)量，最后直接影響列車運行的速度和行車安全。為了滿足國內(nèi)外高速鐵路的加速發(fā)展和市場的激烈競爭，必須對接觸網(wǎng)的彈性問題進(jìn)行研究計算并應(yīng)用到實際中。 中國鐵路接觸網(wǎng)的懸掛方式基本上分為兩種，簡單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛，復(fù)鏈型懸掛使用的較少，但是其動態(tài)品質(zhì)最為優(yōu)越，也是比較適合高速鐵路，但是因為結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，施工維修都不容易而使用較少。簡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，簡單鏈型的靜態(tài)不均勻度較大，其動態(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態(tài)態(tài)抬升量，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)過多年的鐵路運營表示，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性鏈型懸掛方式要運行的更加平穩(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年代孤獨的先行者。當(dāng)時采用的是復(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月日本山陽新干線開通，它采用的是重復(fù)鏈型懸掛。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)運營維修費用過高，發(fā)生事故時候搶修難度大，中斷時間長。又由于上世紀(jì)八九十年代日本處于經(jīng)濟(jì)衰退的艱難時期，于1997年興建的北陸新干線采用的是簡單鏈型懸掛，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（，）重復(fù)鏈型懸掛和簡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，法國高速鐵路大西洋線于1989年開幕，連接巴黎和法國西部，時速300km/h。采用的是簡單鏈型懸掛。法國接觸網(wǎng)工程師有著不同的觀點，彈性吊索對于時速超過250km/h的高速鐵路來說其影響意義并不大，反而認(rèn)為提速是影響機車行車安全的主要因素。所以目前法國主要采用簡單鏈型懸掛方式。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，而時速350km/h的路段接觸線張力增加到25KN，所以法國接觸網(wǎng)公式的重點放在改善受電弓機械性能，并研發(fā)高性能的受電弓。同時法國是目前輪軌系統(tǒng)的世界記錄保持者。1990年5月，試驗運行速度達(dá)到500km/h以上。法國在160km/h時速的接觸網(wǎng)采用的是全補鏈型懸掛，彈性鏈型輔助索長度為12m，吊弦之間的間距為9m。同樣采用全補鏈型懸掛的還有TGV東南線，它的彈性鏈型輔助索長度為15m，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的時速。由于該接觸網(wǎng)在定位點處增加了彈性吊索，減小了彈性不均勻度，也增加了定位支持點的彈性，同時增大定位器抬升量 ，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。在多年的實踐運營下，先后推出Re7Re100、Re 160、Re200 、Re250、Re300 、Re330型接觸網(wǎng)。剛開始的兩種為簡單鏈型懸掛，剩下的都是全補償彈性鏈型懸掛。在Re200及以下系列懸掛標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)德國鐵路又設(shè)計了Re250懸掛標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以滿足時速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65m，并將彈性吊索的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，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，換成了安裝簡單鏈形懸掛，同時研究高性能的受電弓來滿足機車高速運行的取流和穩(wěn)定。 總的來說，國內(nèi)外的高速接觸網(wǎng)發(fā)展的趨勢有以下幾點：①接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越簡單，便于施工維修，并提高接觸網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性②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傳播速度，進(jìn)而為提升機車運行速度提供保障。③各國的鐵路公司都在積極研制并開發(fā)與接觸網(wǎng)參數(shù)及與運營速度相匹配的高速高性能受電弓。 本論文的研究內(nèi)容和方法 接觸網(wǎng)的彈性和彈性均勻度受很多因素的影響，比如懸掛類型，承力索張力，接觸線張力，彈性吊索長度，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。 本論文的重點在于研究計算接觸網(wǎng)的彈性和彈性均勻度，首先用ANSYS軟件建立了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型，在本論文中，首先建立了單跨簡單鏈型懸掛模型和三跨彈性鏈型懸掛模型。對這兩個模型通過結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS計算得出靜態(tài)結(jié)構(gòu)，找型，計算吊弦長度。然后在接觸線上每個吊弦位置的節(jié)點處添加靜態(tài)抬升力，對比沒加靜態(tài)抬升力的情況下得出每個節(jié)點Y方向上的位移差值，就可以計算出每個點的彈性，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算靜態(tài)抬升量，得出在不同因素的作用下對接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性均勻度以及每個關(guān)鍵點彈性的影響，計算出在不同因素情況下得到的彈性參數(shù)，對比并得出結(jié)論。為今后的接觸網(wǎng)設(shè)計施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)。第2章 有限元理論與APDL簡介接觸網(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單元比較特殊的雙線性剛度矩陣這個特性正好可以滿足這個特性，使索成為一個軸向只受拉力或者只受壓力的桿單元。在使用LINK10單元時，可以調(diào)整設(shè)置受拉選項，如果桿單元受壓，桿剛度就會消失，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ANSYS軟件的特點和運用該軟件研究計算接觸網(wǎng)彈性的好處，最后再對APDL進(jìn)行簡介。 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)離散成有限個簡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（微分方程組），并確定其邊界條件和初值條件，然后就是求解了，簡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)值計算方法，它廣泛適用在電子計算機的編程計算中。有限元法起源于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時用來研究航空中飛機結(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)為任意一個結(jié)構(gòu)都可以看作是由有限個小單元互相作用相互影響并相互連接而成的一個集合體，我們可以把每個單元的力學(xué)特性可以比作機械上的零件，組裝在一起就可以提供整體的力學(xué)特性。那么我們會不禁提出這樣的問題了，我們?yōu)槭裁匆紫确治隽W(xué)單元的特性呢，直接分析整體不是更直接更快速嗎？在面對實際的工程問題中，對實際復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行整體分析難度比較大，要想把問題簡化就要把一個完整的系統(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際問題的重要方法。從另一個方面看，運用計算機求解離散系統(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。實際上對于任意一個連續(xù)系統(tǒng)，其單元數(shù)目是具有無限性，但是計算機的儲存容量以及其運算速度總是有極限的，如果把一個系統(tǒng)拆分成無限多個單元，那么計算機將不容易處理。工程上處理連續(xù)體問題的方法大多都是將連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)變成離散系統(tǒng)，然后再用計算機進(jìn)行分析計算。然而離散系統(tǒng)一般都是具有近似性，與實際情況還是有差距的。然而離散變量的個數(shù)變多時，再用計算機分析計算就可以得到收斂于實際的連續(xù)解。有限元法常常用于分析計算連續(xù)系統(tǒng)問題時實際上就是一種把實際系統(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，增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目，解得近似程度會逐漸被改進(jìn)，結(jié)果的近似值也將會越來接近精確解。有限元模型一般來說都是由有限個幾何形狀簡單的單元組合而成，單元與單元之間是通過節(jié)點相互連接，并且在某些節(jié)點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。常用術(shù)語有節(jié)點、單元、節(jié)點力、節(jié)點載荷、位移函數(shù)、收斂準(zhǔn)則等等。節(jié)點（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)點其實就是單元和單元之間的連接點。節(jié)點可以分為鉸接，固接或其他形式的連接。節(jié)點一般分為主外節(jié)點，內(nèi)節(jié)點，副主外節(jié)點和內(nèi)節(jié)點3類，有了節(jié)點再能把一些工程中的實際連續(xù)體簡化。把它看作在節(jié)點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際對象轉(zhuǎn)化為可通過計算機計算的數(shù)學(xué)物理模型，近而進(jìn)行近似計算，為實際工程提供科學(xué)依據(jù)。圖21節(jié)點、單元示意圖常用單元一般可以分為兩類，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)在分析時不需要分割。構(gòu)件的本身性質(zhì)以及實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)拆為一個一個微單元，是有限多個。一般來說，單元的分割是任意的，但是在處理實際工程問題中，我們一定要根據(jù)研究對象的特點來進(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算的特點。節(jié)點力和節(jié)點載荷，相鄰單元之間的相互作用是通過節(jié)點來實現(xiàn)的，節(jié)點力就是節(jié)點之間的相互作用力，也叫節(jié)點載荷。節(jié)點載荷是作用在節(jié)點上的外載荷。節(jié)點力一般情況下可以分為兩種：一個是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)點上的節(jié)點載荷，以便建立節(jié)點載荷與節(jié)點位移的平衡方程。另一個是直接作用在節(jié)點上的外力。雖然在實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)點和單元，在單元體間設(shè)置節(jié)點，使得相鄰單元的設(shè)計參數(shù)具有連續(xù)性。離散的單元的數(shù)目大小跟實際工程問題的計算精度有關(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)，通過計算節(jié)點位移，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布坐標(biāo)假定成某種簡單的函數(shù)。這個過程的重點就是確定科學(xué)合理的位移函數(shù)，大部分的位移函數(shù)都是多項式的。接著對單元建立方程，構(gòu)造單元剛度矩陣，而對單元組合成總體的問題構(gòu)造總體剛度矩陣，這個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：① 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。② 有限元法的適用性比較強，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)、以及電磁場領(lǐng)域的很多問題。③ 采用矩陣形式表達(dá)，有利于計算機編寫程序求解?？梢猿浞掷糜嬎銠C的高速計算能力，計算快速簡便。④ 有限元法有非常強的靈活性和通用性，能夠解決一些工程中復(fù)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)。 Ansys軟件介紹ANSYS軟件是目前市場上份額最大的有限元分析軟件，其通用性非常強。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