【正文】 要感謝西南交大對我的培養(yǎng)，感謝交大可以我這樣一個機會來給自己的大學(xué)時代畫一個圓滿的句號。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)心和幫助讓我覺得大學(xué)時光是幸?？鞓返摹＿€要感謝吳積欽老師，曾明老師，韓峰老師，感謝他們對我學(xué)業(yè)的指導(dǎo)。設(shè)計更加全面更符合實際的接觸網(wǎng)模型，為接觸網(wǎng)彈性仿真研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。然后在接觸線上對應(yīng)的吊弦節(jié)點處施加一恒定的靜態(tài)抬升力，可以得出該力作用下的新狀態(tài),對比不加抬升力的初始狀態(tài)就可以得出接觸線上各節(jié)點的位移變化量即靜態(tài)抬升量。彈鏈的彈性不均勻比簡鏈的彈性不均勻度要明顯降低。所以適當(dāng)增加吊索的長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，其定位點附近的彈性增加的幅度越來越大，要選擇合適的承力索張力，否則其張力過大會導(dǎo)致定位點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)目對彈鏈接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性的影響本小節(jié)通過改變吊弦數(shù)目來研究彈鏈接觸網(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，這是因為增加了彈性吊索，增加了定位點附近的彈性。的計算公式見式（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鐵路公式總結(jié)的跨中彈性經(jīng)驗公式是有其局限性的，因為這里我們一直保持這接觸線和承力索的張力不變，按照經(jīng)驗公式來看，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號吊弦和7號吊弦跟各自附近的懸掛點距離都是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42三跨簡單鏈形懸掛位移圖通過圖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度，見表43表 43 三跨簡鏈中跨各根吊弦長度(m)吊弦編號1號2號3號4號5號6號7號中跨根據(jù)上文所述建立三跨簡鏈參數(shù)化模型，加載邊界條件后就可以研究其中跨的彈性了，本文通過在中跨的接觸線上每根吊弦的節(jié)點處分別施加一個垂直向上的靜態(tài)抬升力，然后通過計算每個節(jié)點在UY方向上的位移量就是靜態(tài)抬升量，進而根據(jù)42式計算彈性。 接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性曲線：接觸線上各節(jié)點在單位靜態(tài)抬升力單獨作用下形成的抬升量/抬升力的曲線。這樣看來，彈性鏈型懸掛方式的接觸網(wǎng)吊弦長度如果按整個錨段來建模計算更為科學(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)點坐標(biāo)，即可求的三跨彈鏈各吊弦的長度，如表35所示：表35三跨彈性鏈形懸掛各吊弦長度(單位m)1號2號3號4號5號6號7號首跨中跨末跨由上面數(shù)據(jù)看出，每跨的4號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)建立單跨簡單鏈型懸掛模型相似，保持與簡單鏈型懸掛的參數(shù)相同，即相同型號的接觸線、承力索和吊弦。具體的參數(shù)大小如表32所示。對比可知該數(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，所以相對于一根索來講即為L所對應(yīng)的，因為,。 線夾和定位懸掛裝置的處理對于實際的接觸網(wǎng)，結(jié)構(gòu)連接處比較多，在ANSYS當(dāng)中可以處理為質(zhì)量點的形式進行加在，在質(zhì)量點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)的進行接觸網(wǎng)模型的有限元仿真分析。第二個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)機構(gòu)以及保護設(shè)備。總之，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。無重要的剛度值和帶有一個負(fù)值相對位移的纜選項以及帶有一個正值相對位移的裂口選項相關(guān)的。表1 LINK10單元輸出信息表名稱定義○REL單元號YYNODES單元節(jié)點號 (I and J)YYMAT單元材料號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項時可用。而裂口的值需要當(dāng)成單位長度之值輸入。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際的工程問題。⑧ 其他功能：ANSYS支持的別的一些高級功能，包括設(shè)計優(yōu)化、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、生死單元等高級分析技術(shù)。瞬態(tài)磁場分析,計算出隨時間變化的電流或磁場引起的外部世界。熱傳遞有三種類型：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。2 結(jié)構(gòu)動力分析：其研究對象是跟著時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常見的工程分析類型：① 動力學(xué)分析：ANSYS軟件可以模擬仿真一些復(fù)雜的三維柔體運動，在該系統(tǒng)運動積累的時候，可以通過ANSYS編程分析復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在空中做的三維運動，進而確定該結(jié)構(gòu)中每個應(yīng)力、應(yīng)變和形變。包含強勁的求解器以及強大的前后處理功能。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)、以及電磁場領(lǐng)域的很多問題。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。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)。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，與實際情況還是有差距的。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。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。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。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。1990年5月，試驗運行速度達(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。他們是60年代孤獨的先行者。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。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)的彈性問題進行研究計算并應(yīng)用到實際中。完全滿足高速受流這一要求。采用的是簡單鏈型懸掛。其接觸線的預(yù)弛度為1：1000，可以滿足270km/h的時速。 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，進而為提升機車運行速度提供保障。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進行簡介。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。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，結(jié)果的近似值也將會越來接近精確解。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，近而進行近似計算，為實際工程提供科學(xué)依據(jù)。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。比如說應(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)。也就是說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)分析的計算模型(線性分析和非線性分析和非線性分析、流體動力學(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分析和物理場的耦合分析,仿真結(jié)果表明,輪廓線的顏色,可以根據(jù)計算梯度,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。然后通過對節(jié)點位移值進行研究計算，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)動力學(xué)分析等。④ 電磁場分析：ANSYS可以分析電感和電容、渦流、電磁場電場分布和能量損失等問題。⑤ 聲學(xué)分析：ANSYS可以進行聲波在含有介質(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)的動態(tài)特性。④具有強勁的非線性分析計算功能⑤各種求解器可以分別適用于不同的問題及各種不一樣的硬件配置本文就是通過運用該軟件強勁的非線性求解分析能力來模擬研究接觸網(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弦索就會處于松弛狀態(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)點位置以及坐標(biāo)系見圖21，該單元利用兩個節(jié)點、橫截面、初始應(yīng)變或間隙以及各項同性材料特性參數(shù)來定義。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還提供簡單頁面定制功能功能，可以實現(xiàn)參數(shù)交互功能、消息機制、界面驅(qū)動、運行應(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)模型就簡化為承力索和接觸線通過吊弦以及彈性吊索鏈接而成的柔性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。我們在做有限元模擬仿真時，對于單元的選取正確與否直接影響計算結(jié)果。本文中處理定位懸掛的方式就是后文對接觸線、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對以上模型的參數(shù)輸入僅僅定義了模型中每個索的本構(gòu)方程所對應(yīng)的剛度矩陣。找型過程中,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,求其變形時候接觸線上每個吊弦處的節(jié)點變形位移值及方向,然后在該節(jié)點上加上上個變形后的節(jié)點位移矢量,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,最后看每個節(jié)點位移矢量的的模,該值越小,接觸線就越接近水平,本論文里計算精度在毫米范圍，即控制前后兩次找型的位移差，越小說明越趨向于穩(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單跨簡鏈的初始計算模型經(jīng)過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單元來模擬該吊索。再看中跨，中跨的也是跨中吊弦4號最短，小于兩側(cè)的吊弦長度，與首跨一樣，彈性吊索附近的吊弦1號和7號也是短于6號吊弦。第4章 接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性分析本章將分別研究兩種我國接觸網(wǎng)系統(tǒng)的常用懸掛的彈性，即簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛。 簡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鏈的參數(shù)化模型本小節(jié)將基于有限元理論建立簡鏈的參數(shù)化模型，通過改變該模型的一系列設(shè)計參數(shù)，就可以分析計算得到不同設(shè)計參數(shù)下接觸網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點的在單位靜態(tài)抬升