【正文】 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。ANSYS結(jié)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。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。ANSYS可以實(shí)現(xiàn)很多不同類型的工程分析。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,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。軟件含有很多模塊比如熱、電磁、流體和結(jié)構(gòu)等。也就是說(shuō)CAD建好的模型可以輕松導(dǎo)入ANSYS軟件中。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。④ 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)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 有限元法的適用性比較強(qiáng)，其應(yīng)用范圍也是非常廣。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(jiǎn)便的獲取參數(shù)信息，最終研究分析得出結(jié)果。應(yīng)用邊界條件、初始值和負(fù)載。比如說(shuō)應(yīng)變、應(yīng)力、位移等等。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。節(jié)點(diǎn)力一般情況下可以分為兩種：一個(gè)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(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。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)。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)（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(shuō)節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是單元和單元之間的連接點(diǎn)。如果單元滿足問題的收斂需區(qū)域，當(dāng)單元尺寸越來(lái)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(lái)接近精確解。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(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。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(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(lái)的系統(tǒng)整體分析才容易得到其整體特性。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(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。第二章先介紹有限元理論，再介紹ANSYS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。 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(lái)說(shuō)不可以受壓力，只能收到拉力。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)。 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(jiǎn)單鏈型懸掛模型和三跨彈性鏈型懸掛模型。 總的來(lái)說(shuō)，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)：①接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)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(dòng)傳播速度，進(jìn)而為提升機(jī)車運(yùn)行速度提供保障。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。其接觸線的預(yù)弛度為1：1000，可以滿足270km/h的時(shí)速。同時(shí)法國(guó)是目前輪軌系統(tǒng)的世界記錄保持者。采用的是簡(jiǎn)單鏈型懸掛。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)。完全滿足高速受流這一要求。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。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。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(lái)越高，越來(lái)越嚴(yán)格。 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。他們是60年代孤獨(dú)的先行者。1972年3月日本山陽(yáng)新干線開通，它采用的是重復(fù)鏈型懸掛。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。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(lái)說(shuō)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。1990年5月，試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到500km/h以上。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。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。③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。對(duì)這兩個(gè)模型通過結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS計(jì)算得出靜態(tài)結(jié)構(gòu)，找型，計(jì)算吊弦長(zhǎng)度。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。二力桿作為物理模型來(lái)說(shuō)，可以受到壓力也可以收到拉力，所以用桿模擬索比較好。 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。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。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。有限元模型一般來(lái)說(shuō)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。節(jié)點(diǎn)可以分為鉸接，固接或其他形式的連接。圖21節(jié)點(diǎn)、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。一般來(lái)說(shuō)，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(lái)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)。另一個(gè)是直接作用在節(jié)點(diǎn)上的外力。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)。我們通常把位移的分布坐標(biāo)假定成某種簡(jiǎn)單的函數(shù)。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。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)：① 概念淺顯易懂，容易掌握?；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。 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)。生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中。實(shí)現(xiàn)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。包含強(qiáng)勁的求解器以及強(qiáng)大的前后處理功能。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。以下介紹幾種ANSYS常見的工程分析類型：① 動(dòng)力學(xué)分析：ANSYS軟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ANSYS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。ANSYS可以分析以下三類結(jié)構(gòu)分析：1 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。2 結(jié)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結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。3 結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)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。熱傳遞有三種類型：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。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。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。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。⑧ 其他功能：ANSYS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)。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。這樣可以最大程度的適用于實(shí)際的工程問題。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。所以用LINK10單元模擬繩索的松弛比較好。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。而裂口的值需要當(dāng)成單位長(zhǎng)度之值輸入。纜選項(xiàng)只能得到正的值，裂口選項(xiàng)只能得到負(fù)的值。表1 LINK10單元輸出信息表名稱定義○REL單元號(hào)YYNODES單元節(jié)點(diǎn)號(hào) (I and J)YYMAT單元材料號(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YY單元輸出狀態(tài)值①纜受拉或者裂口受壓②纜松弛或者裂口打開只有在質(zhì)心作為*GET項(xiàng)時(shí)可用。假如初始應(yīng)變?yōu)榱?，則單元的剛度就包含于首個(gè)子步內(nèi)。無(wú)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。初始應(yīng)變也可用來(lái)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。 DAMP材料屬性不允許 單元生死特定性質(zhì)不允許。利用APDL的程序程序語(yǔ)言和宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，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?？傊珹PDL拓展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力。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。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。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。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。 承力索、接觸線的單元選型從整個(gè)錨段來(lái)看，承力索和接觸線是一種長(zhǎng)細(xì)的結(jié)構(gòu)模型。所以用桿單元模擬承力索和接觸線比較合適。本論文中， 選擇LINk10單元來(lái)模擬桿單元，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。 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)?。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。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)變的長(zhǎng)，所以相對(duì)于一根索來(lái)講即為L(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的，因?yàn)?。這是得不到穩(wěn)定解的。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(lái)建立模型。ANSYS程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。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。接觸線、吊弦和承力索一樣也是只能受拉的桿單元。具體的參數(shù)大小如表32所示。所以承力索的Y坐標(biāo)就可以直接近似看作是吊弦的長(zhǎng)度了。 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。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、Y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。位移云圖顯示如圖37所示：圖37有限元求解后三跨彈鏈模型的位移圖然后讀出其三跨的的承力索與吊弦的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，即可求的三跨彈鏈各吊弦的長(zhǎng)度，如表35所示：表35三跨彈性鏈形懸掛各吊弦長(zhǎng)度(單位m)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)6號(hào)7號(hào)首跨中跨末跨由上面數(shù)據(jù)看出，每跨的4號(hào)吊弦也就是跨中吊弦最短。三跨模型是對(duì)稱的，所以在重力作用下，找型后求得的首跨和末跨的吊弦長(zhǎng)度具有對(duì)稱性。這樣看來(lái)，彈性鏈型懸掛方式的接觸網(wǎng)吊弦長(zhǎng)度如果按整個(gè)錨段來(lái)建模計(jì)算更為科學(xué)，所以本文的建立彈鏈模型采取的是建三跨取中跨研究計(jì)算。接觸懸掛的設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響著接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性，其中的設(shè)計(jì)參數(shù)有接觸線和承力索的張力、吊弦數(shù)目、跨距、彈性吊索長(zhǎng)度等。 接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性曲線：接觸線上各節(jié)