25米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析開(kāi)題報(bào)告

25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 1 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì) (論文 )題目： 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 指 導(dǎo) 老 師： 2014 年 3 月 12 日 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 2 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題 目 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì) 算與有限元分析 題目來(lái)源 指導(dǎo)老師出題 題目類型 為結(jié)合科研 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時(shí)間安排；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： （ 1）培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （ 2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，主要包括設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖能力； （ 3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力； （ 4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)的能力； （ 5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書、論文的能力； （ 6）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-222014-03-31 2014-04-1 2014-05-30 2014-06-01 2014-06-07 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實(shí)習(xí)調(diào)研和實(shí)習(xí)報(bào)告，完成開(kāi)題報(bào)告； 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)有限元軟件的使用方法、進(jìn)行理論計(jì)算與有限元模擬、分析 模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 ； 修改完善畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的所有資料、成果并歸檔。 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 3 文 獻(xiàn) 綜 述 1、引 言 高桿燈以節(jié)能、維修方便、集中照明等優(yōu)勢(shì)受到了人們的廣泛歡迎，尤其在道路互道立交、港口、碼頭、機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)、貨場(chǎng)、施工工地等場(chǎng)合，都需要使用具有強(qiáng)照明能力的燈具。 簡(jiǎn)介高桿燈及有限元計(jì)算分析 目前的高桿燈 主要 是高度在 15 米以上鋼制柱形燈桿和大功率組合式燈架構(gòu)成的新型照明裝置。它由燈頭、內(nèi)部燈具電器、桿體及其基礎(chǔ)部分組成。內(nèi)部燈具多由泛光燈 和投光燈組成。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 有限元法越來(lái)越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助工程領(lǐng)域，但就目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有普及到通用設(shè)施領(lǐng)域；不過(guò)在別的領(lǐng)域如汽車制造應(yīng)用的已經(jīng)非常廣泛。應(yīng)用 ANSYS大型商用有限元軟件，對(duì)路燈燈桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。分析燈桿結(jié)構(gòu)在自重、風(fēng)載、雪載等多種載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布情況，分析路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是否符合設(shè)計(jì)要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，以降低燈桿的重量與成本。 高桿燈各大部件的設(shè)計(jì)概況 （ 1） 燈源的選擇 高壓鈉燈：是中氣體放電的燈，需要在玻殼內(nèi)沖入鈉汞蒸汽， 才能通過(guò)電極電離氣體，激發(fā)可見(jiàn)光，壽命長(zhǎng)，功率高，透霧性好，顯色指數(shù)低。 低壓鈉燈：是利用低壓鈉蒸氣放電發(fā)光的電光源，在它的玻璃外殼內(nèi)涂以紅外線反射膜，是光衰較小和發(fā)光效率最高的電光源，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用少。 金鹵燈：是交流電源工作的在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣中產(chǎn)生電弧放電發(fā)光的放電燈，光效高，顯色指數(shù)高，但壽命低且昂貴，路燈應(yīng)用較少，可在關(guān)鍵路口使用照明。 （ 2） 燈桿桿體形狀選擇 目前 ,國(guó)內(nèi)安裝使用的高桿燈的桿體 ,常見(jiàn)圓臺(tái)型焊接式和正 12棱臺(tái)型套接式兩種。前者是在安裝現(xiàn)場(chǎng)把多節(jié)圓臺(tái)型桿體當(dāng)場(chǎng)焊 接成型 ,整桿起吊安裝 ；后者在安裝現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)起吊 ,逐步套接安裝。這僅是表象的區(qū)別。從建筑力學(xué)和抗風(fēng)荷載的本質(zhì)特性來(lái)分析 ,兩者的靜力學(xué)特征和抗風(fēng)荷載的情況 ,卻有著顯著的差異。圓臺(tái)型燈桿的體形風(fēng)壓系數(shù)為 0.8；而正 12棱臺(tái)燈桿的體形風(fēng)壓系數(shù) : us=0.8+1.2/n=0.8+1.2/12=1.1464(n 正棱臺(tái)的邊數(shù) 12)1。換言之 ,同一高度橫截面積相等的兩種型式的高桿燈 ,它們?cè)谕蕊L(fēng)速下 ,正 12棱臺(tái)燈桿所受到的風(fēng)荷載作用力將是圓臺(tái)型燈桿的 1.433倍。那么 ,在這情況下 ,為了使這兩種造型的燈桿具有相同的抗風(fēng) 荷載能力及相同的安全系數(shù) ,正 12棱臺(tái)型燈桿的桿體鋼板的壁厚、同一高度處的截面積、甚至是地腳緊固螺栓的直徑等都必須 比圓臺(tái)型桿體來(lái)得大 ,高桿燈整體耗材也大。雖然正 12棱臺(tái)型燈桿省去了安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接的麻煩 ,但桿體間的多節(jié)套接 ,增加了桿體的實(shí)際長(zhǎng)度。 其次 ,正 12棱臺(tái)套節(jié)式燈桿各分套節(jié)的成型 ,是預(yù)先裁切的梯形鋼板料在特大功率的折彎?rùn)C(jī)上彎折 12條棱線后 ,由自動(dòng)焊接機(jī)焊接成正 12棱臺(tái)型分節(jié)鋼筒。鋼板在形變中 ,剛度必受挫損。而圓臺(tái)型燈桿的桿體橫截面為一個(gè)圓 ,從 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 4 幾何力學(xué)來(lái)看 ,圓的剛度比正 12邊形大得多 ,所以相同截面 積的圓臺(tái)型燈桿比起正 12棱臺(tái)型燈桿的抗風(fēng)荷載能力大得多。但也有人懷疑圓臺(tái)型分節(jié)桿體在高桿燈安裝過(guò)程中 ,各分節(jié)之間的對(duì)口碰焊在抗風(fēng)荷載中的強(qiáng)度問(wèn)題。其實(shí) ,在各分節(jié)對(duì)口碰焊處的桿體內(nèi) ,內(nèi)襯一小段鋼環(huán) (見(jiàn)圖 1),使其同時(shí)焊連在碰焊縫內(nèi)側(cè)桿體上 ,再加上電焊燒結(jié)的理化特性 ,碰焊縫處的剛度和強(qiáng)度大大增強(qiáng)。 （ 3） 燈盤形狀的選擇 ： 高桿燈燈盤方面高桿燈的主要重量集中在桿頂?shù)臒舯P之上，而且高桿燈的外觀也很大程度上由燈盤的外形決定。優(yōu)美得體的燈盤不僅可以減輕對(duì)燈桿的風(fēng)荷載負(fù)荷，而且與周圍建筑物的諧和也是現(xiàn)代化 城鎮(zhèn)的一道風(fēng)景線。 從風(fēng)荷載計(jì)算，還是使用實(shí)踐來(lái)看，燈盤的直徑能小則小，漏空系數(shù)能大則大。這樣，燈盤所受的風(fēng)荷載作用就小，對(duì)桿體和基座的威脅也小。 從力學(xué)角度分析，即使對(duì)于被照區(qū)域的照明半徑大、照度要求高、布燈多的高桿燈，設(shè)計(jì)時(shí)燈盤的直徑一般不要大于桿高的 1/7。幾種燈盤的設(shè)計(jì)形式有 :蘑菇形、牽?；ㄐ?、盤花形、飛碟形。 如果高桿燈出現(xiàn)燈桿振動(dòng)過(guò)大，長(zhǎng)期過(guò)大振動(dòng)會(huì)提前疲勞損壞，特別是過(guò)大的振動(dòng)量和不合適的頻率易使照明燈泡壽命降低。所以，高桿燈設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮不同地區(qū)的風(fēng)力特征、激勵(lì)的風(fēng)譜、如何抗擊風(fēng)振等避免燈 桿振動(dòng)過(guò)大。同時(shí)高桿燈的底座 ,一般取 25mm厚的鋼板做成圓環(huán)形 ,通過(guò)桿根外圍的支撐板與其連接以增加承受強(qiáng)度。環(huán)形底板的圓形面積盡可能做大些 ,以增大與基礎(chǔ)的接觸面 ,增大整基高桿燈的地面部分的穩(wěn)度 ,減少對(duì)基礎(chǔ)的壓強(qiáng)。 （ 4） 高桿燈的升降控制 燈盤的升降系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)，減速機(jī)，傳動(dòng)齒輪，輪軸，鋼索和滑軸組組成的卷?yè)P(yáng)機(jī)組。卷?yè)P(yáng)機(jī)組電動(dòng)升降燈盤的過(guò)程和燈盤上照明燈具自動(dòng)啟閉都離不開(kāi)電器控制，這兩個(gè)部分一起成為高桿燈的電器控制系統(tǒng)。 （ 5） 燈盤的自動(dòng)掛，脫鉤裝置 國(guó)內(nèi)外的高桿燈 ,燈盤在桿 頂處的自動(dòng)掛、脫鉤始終是高桿燈技術(shù)中的一大難題 ,因燈盤上升至桿頂時(shí) ,由于高空的氣流或風(fēng)速的影響 ,使燈盤產(chǎn)生的不平衡而導(dǎo)致三只掛鉤未能同時(shí)順利返轉(zhuǎn) ,使掛鉤 難以成功。在燈盤下降前的脫鉤過(guò)程中 ,因掛鉤部位受風(fēng)雨侵蝕 ,又不需同時(shí)脫鉤。為此 ,不得不反復(fù)啟動(dòng)燈盤以求達(dá)到燈盤掛、脫鉤的目的?？刹捎秒姶砰y掛脫鉤裝置。 優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂最優(yōu)設(shè)計(jì)，指的是一 種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出 (如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等 )最小。即，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。設(shè)計(jì) 方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說(shuō) :尺寸 (如厚度 )、形狀 (如過(guò)渡圓角的大小 )、支撐位置、制造費(fèi)用、自然頻率以及材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS選項(xiàng)均可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。 ANSYS提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以有效地處理大多數(shù)工程問(wèn)題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。對(duì)于這兩種方法， ANSYS提供了一系列的分析 評(píng)估 修正的循環(huán)過(guò)程。就是對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)構(gòu)就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然 后修正設(shè)計(jì)。這一循 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 5 環(huán)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。在 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)中包括的基本定義有 :設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)、合理和不合理的設(shè)計(jì)、分析文件、迭代、循環(huán)、設(shè)計(jì)序列等。 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 6 主要參考文獻(xiàn) 1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工問(wèn)答 M.上海 :上海同濟(jì)大學(xué) ,1995 2 淺談高桿燈的總體設(shè)計(jì)制作 M. 石聽(tīng)安 /武進(jìn)照明電器研究所 3 三十米高桿燈的風(fēng)致振動(dòng)的測(cè)量研究 M. 諸葛鴻程，李德葆 (清華大學(xué)工程力學(xué)系 ,北京 100084) 1998.5 4 高桿燈桿體強(qiáng)度與撓度分析 M. 俞曉紅姜永生（交通部水運(yùn)科學(xué)研究所北京 100088） 5 太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)的受力分析與強(qiáng)度效核 M. 許基朵（成都鐘順科技發(fā)展有限公司四川成都 610064） 6 高桿燈總體設(shè)計(jì)概論 M. 石聽(tīng)安 (常為市新北區(qū)呂墅中學(xué) ,213132) 2003.3 7 高桿燈承受最大風(fēng)荷載時(shí)緊固地腳螺栓的拉力計(jì)算 M. 石聽(tīng)安 (江蘇武進(jìn)市照明電器廠 武進(jìn)市 213117 1999 8 鈮在強(qiáng)化超合金中的作用 (李惠平 ) 9 35米高桿燈基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工新方法 曹守海 (丹東港務(wù)局 ) 10 高桿燈的介紹與施工 北京市第五市政工程公司機(jī)電分公司工程師竇劍飛 11 淺議高桿燈塔開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 沈陽(yáng)鐵路局錦州勘測(cè)設(shè)計(jì)院趙拘傳 12 高 桿 照 明 技 術(shù) 姜啟鵬 1998 13 港口固定式高桿照明燈的改造 山東省龍口港務(wù)管理局仲杰 14 高桿照明系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu) 上海鐵路局勘設(shè)所 蔡君偉 25 米高桿路燈燈桿的力學(xué)計(jì)算與有限元分析 7 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑） 課題 ： 25米高桿 路燈 桿 燈的有限元分析 研究和解決的問(wèn)題 ：建立 25米高桿路燈燈桿的有限元計(jì)算模型，對(duì)承受自重、風(fēng)載、 雪載等多種載荷作用下的燈桿進(jìn)行有限元計(jì)算，分析 25米高桿路燈燈桿在應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布情況以及變形情況，研究路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是否符合設(shè)計(jì)要求。 擬采用的研究手段： 燈桿的整體設(shè)計(jì)時(shí) ,必須以風(fēng)荷載計(jì)算為依據(jù)。參照高桿燈安裝現(xiàn)場(chǎng)所在地區(qū)的 50年一遇的最大風(fēng)速下 ,所經(jīng)受到的最大風(fēng)荷載作用 ,(個(gè)別地方 ,還須考慮周圍氣霧的影響 )復(fù)核計(jì)算擬定的高桿燈桿根處應(yīng)承受的總風(fēng)荷載彎矩 (也叫傾覆力矩 )及各分節(jié)桿體的力學(xué)特征 ,同時(shí)更應(yīng)該測(cè)算高桿燈底板的直徑和底板上地腳緊固螺栓孔的個(gè)數(shù) ,以及螺栓孔中心圓的直徑。 在 運(yùn)用 ANSYS 軟件設(shè)計(jì)燈桿模型時(shí)，用有限元程序?qū)魲U進(jìn)行整體分析，所以本文工作應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手，其主要工作是： （ 1）了解高桿燈的功用與要求 （ 2）簡(jiǎn)單介紹有限元法與 ANSYS 軟件。 （ 3）用 solidworks 進(jìn)行三維建模。