【正文】 要感謝西南交大對(duì)我的培養(yǎng)，感謝交大可以我這樣一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)給自己的大學(xué)時(shí)代畫一個(gè)圓滿的句號(hào)。最后我要感謝電氣學(xué)院的老師和同學(xué)們，是你們的關(guān)心和幫助讓我覺(jué)得大學(xué)時(shí)光是幸?？鞓?lè)的。還要感謝吳積欽老師，曾明老師，韓峰老師，感謝他們對(duì)我學(xué)業(yè)的指導(dǎo)。設(shè)計(jì)更加全面更符合實(shí)際的接觸網(wǎng)模型，為接觸網(wǎng)彈性仿真研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然后在接觸線上對(duì)應(yīng)的吊弦節(jié)點(diǎn)處施加一恒定的靜態(tài)抬升力，可以得出該力作用下的新?tīng)顟B(tài),對(duì)比不加抬升力的初始狀態(tài)就可以得出接觸線上各節(jié)點(diǎn)的位移變化量即靜態(tài)抬升量。彈鏈的彈性不均勻比簡(jiǎn)鏈的彈性不均勻度要明顯降低。所以適當(dāng)增加吊索的長(zhǎng)度有利于改善接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性性能。隨著承力索張力的加大，其定位點(diǎn)附近的彈性增加的幅度越來(lái)越大，要選擇合適的承力索張力，否則其張力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致定位點(diǎn)處的彈性偏大甚至大于跨中彈性，從而引起打弓事故。所以適當(dāng)增加接觸線張力可以提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性性能。 吊弦數(shù)目對(duì)彈鏈接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性的影響本小節(jié)通過(guò)改變吊弦數(shù)目來(lái)研究彈鏈接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性，分別設(shè)置8根吊弦。跟簡(jiǎn)鏈的彈性均勻度相比較，可以看出彈鏈的彈性不均勻度明顯大大的降低了，這是因?yàn)樵黾恿藦椥缘跛?，增加了定位點(diǎn)附近的彈性。的計(jì)算公式見(jiàn)式（411），其中代表中跨模型的第一根吊弦懸掛接觸線的重力。保持接觸線張力不變?yōu)?7kN，三次改變承力索張力分別為：27kN、18KN、15KN。這里我們可以看出德國(guó)鐵路公式總結(jié)的跨中彈性經(jīng)驗(yàn)公式是有其局限性的，因?yàn)檫@里我們一直保持這接觸線和承力索的張力不變，按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)看，其跨中的彈性應(yīng)該不變，這里的跨中彈性跟吊弦的數(shù)目有關(guān)。在設(shè)置模型中一直保持1號(hào)吊弦和7號(hào)吊弦跟各自附近的懸掛點(diǎn)距離都是5米，即參數(shù)中的a始終為5，改變其跨距L，改變3次L參數(shù)，分別為50m、65m、80m。輸入?yún)?shù)如表42表42 輸入?yún)?shù)數(shù)值單位HmL65ma5mbmm7N/mN/m27kN21kN模型找形后，如圖42所示：圖42三跨簡(jiǎn)單鏈形懸掛位移圖通過(guò)圖42可以看出，接觸線的位移已經(jīng)在2到3毫米之間了，接觸線以及接近水平，通過(guò)讀出承力索上每根吊弦處的UY坐標(biāo)即可得到每根吊弦的長(zhǎng)度，見(jiàn)表43表 43 三跨簡(jiǎn)鏈中跨各根吊弦長(zhǎng)度(m)吊弦編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)6號(hào)7號(hào)中跨根據(jù)上文所述建立三跨簡(jiǎn)鏈參數(shù)化模型，加載邊界條件后就可以研究其中跨的彈性了，本文通過(guò)在中跨的接觸線上每根吊弦的節(jié)點(diǎn)處分別施加一個(gè)垂直向上的靜態(tài)抬升力，然后通過(guò)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)在UY方向上的位移量就是靜態(tài)抬升量，進(jìn)而根據(jù)42式計(jì)算彈性。 接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性曲線：接觸線上各節(jié)點(diǎn)在單位靜態(tài)抬升力單獨(dú)作用下形成的抬升量/抬升力的曲線。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。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。具體的參數(shù)大小如表32所示。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。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。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)?。 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)?。所以用桿單元模擬承力索和接觸線比較合適。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。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?？傊?，APDL拓展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力。 DAMP材料屬性不允許 單元生死特定性質(zhì)不允許。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。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。而裂口的值需要當(dāng)成單位長(zhǎng)度之值輸入。所以用LINK10單元模擬繩索的松弛比較好。這樣可以最大程度的適用于實(shí)際的工程問(wèn)題。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)。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。熱傳遞有三種類型：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。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)。以下介紹幾種ANSYS常見(jiàn)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(guò)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。包含強(qiáng)勁的求解器以及強(qiáng)大的前后處理功能。生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)中?；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(wèn)題。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。離散的單元的數(shù)目大小跟實(shí)際工程問(wèn)題的計(jì)算精度有關(guān)。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(wèn)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)。節(jié)點(diǎn)可以分為鉸接，固接或其他形式的連接。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。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。對(duì)這兩個(gè)模型通過(guò)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。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。1990年5月，試驗(yàn)運(yùn)行速度達(dá)到500km/h以上。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。他們是60年代孤獨(dú)的先行者。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。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(wèn)題進(jìn)行研究計(jì)算并應(yīng)用到實(shí)際中。完全滿足高速受流這一要求。采用的是簡(jiǎn)單鏈型懸掛。其接觸線的預(yù)弛度為1：1000，可以滿足270km/h的時(shí)速。 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。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)。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。那么我們會(huì)不禁提出這樣的問(wèn)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(wèn)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(wèn)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。如果單元滿足問(wèn)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。通過(guò)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(guò)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)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。比如說(shuō)應(yīng)變、應(yīng)力、位移等等。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。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(jiàn)問(wèn)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)。也就是說(shuō)CAD建好的模型可以輕松導(dǎo)入ANSYS軟件中。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(guò)圖表和曲線顯示。然后通過(guò)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可以分析的動(dòng)力學(xué)分析類型有一下幾類，諧波響應(yīng)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。④ 電磁場(chǎng)分析：ANSYS可以分析電感和電容、渦流、電磁場(chǎng)電場(chǎng)分布和能量損失等問(wèn)題。⑤ 聲學(xué)分析：ANSYS可以進(jìn)行聲波在含有介質(zhì)中的流體傳播研究，也能分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。④具有強(qiáng)勁的非線性分析計(jì)算功能⑤各種求解器可以分別適用于不同的問(wèn)題及各種不一樣的硬件配置本文就是通過(guò)運(yùn)用該軟件強(qiáng)勁的非線性求解分析能力來(lái)模擬研究接觸網(wǎng)的彈性分析。由于吊弦和彈性吊索都是柔性弦索，它們只可以受拉力，不可以受壓力，當(dāng)?shù)跸液蛷椥缘跛魇軌毫r(shí)弦索就會(huì)處于松弛狀態(tài)，剛性消失。下面介紹下LINK10單元的輸入輸出方式：LINK10單元的幾何特性、節(jié)點(diǎn)位置以及坐標(biāo)系見(jiàn)圖21，該單元利用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、橫截面、初始應(yīng)變或間隙以及各項(xiàng)同性材料特性參數(shù)來(lái)定義。軸向力、應(yīng)力和單元應(yīng)變可以輸出。并設(shè)定溫度隨著桿長(zhǎng)線性變化。非收斂的子步不是平衡狀態(tài)。除此之外，APDL還提供簡(jiǎn)單頁(yè)面定制功能功能，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互功能、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行應(yīng)用程序還可以分析程序的二次開發(fā)等。第3章 接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立本章主要介紹接觸網(wǎng)模型的建立。這些線索導(dǎo)線包含了接觸線、承力索、吊弦，彈性吊索。所以在本文中的接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型就簡(jiǎn)化為承力索和接觸線通過(guò)吊弦以及彈性吊索鏈接而成的柔性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。我們?cè)谧鲇邢拊M仿真時(shí)，對(duì)于單元的選取正確與否直接影響計(jì)算結(jié)果。本文中處理定位懸掛的方式就是后文對(duì)接觸線、承力索的邊界條件的處理方式。 約束、載荷的施加以及找型有限元理論告訴我們，LINK10對(duì)以上模型的參數(shù)輸入僅僅定義了模型中每個(gè)索的本構(gòu)方程所對(duì)應(yīng)的剛度矩陣。找型過(guò)程中,我們只知道在重力作用下的接觸線高度以及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)高度,初始狀態(tài)接觸線,承力索水平放置,施加重力,求其變形時(shí)候接觸線上每個(gè)吊弦處的節(jié)點(diǎn)變形位移值及方向,然后在該節(jié)點(diǎn)上加上上個(gè)變形后的節(jié)點(diǎn)位移矢量,這樣就得到新的接觸網(wǎng)系統(tǒng)幾何模型,再循環(huán)上訴操作,最后看每個(gè)節(jié)點(diǎn)位移矢量的的模,該值越小,接觸線就越接近水平,本論文里計(jì)算精度在毫米范圍，即控制前后兩次找型的位移差，越小說(shuō)明越趨向于穩(wěn)定。該模型包含主要三種線索，分別接觸線、承力索和吊弦。 圖32單跨簡(jiǎn)鏈的初始計(jì)算模型經(jīng)過(guò)ANSYS編程求解后其穩(wěn)定收斂的幾何模型如圖33所示圖33有限元求解后單跨簡(jiǎn)鏈模型的位移圖由圖33可已看出，接觸線的變形位移的大小已經(jīng)在毫米精度了，接觸線可以近似看作為水平線。固也用LINK10單元來(lái)模擬該吊索。再看中跨，中跨的也是跨中吊弦4號(hào)最短，小于兩側(cè)的吊弦長(zhǎng)度，與首跨一樣，彈性吊索附近的吊弦1號(hào)和7號(hào)也是短于6號(hào)吊弦。第4章 接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性分析本章將分別研究?jī)煞N我國(guó)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的常用懸掛的彈性，即簡(jiǎn)單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛。 簡(jiǎn)單鏈形懸掛方式接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性研究 基于有限元理論建立簡(jiǎn)鏈的參數(shù)化模型本小節(jié)將基于有限元理論建立簡(jiǎn)鏈的參數(shù)化模型，通過(guò)改變?cè)撃Ｐ偷囊幌盗性O(shè)計(jì)參數(shù)，就可以分析計(jì)算得到不同設(shè)計(jì)參數(shù)下接觸網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的在單位靜態(tài)抬升