高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)受流仿真研究碩士研究生論文

1、碩士學位論文高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)受流仿真研究Current-Collection Simulation Analysis On Pantograph-Catenary Dynamic System of High-speed Railway學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解交通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權交通大學可以將學位論文的全部或部分容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，提供閱覽服務,并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名： 導師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日

2、期： 年 月 日61 / 69中文摘要摘要：受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動力學性能直接影響受電弓的受流質(zhì)量和機車的運行可靠性。隨著列車速度的提高，接觸網(wǎng)與受電弓之間的動態(tài)接觸變得越來越復雜，高速狀態(tài)下穩(wěn)定受流出現(xiàn)了很多問題。通常對受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在動態(tài)性能，如對弓網(wǎng)接觸力的分析，對參數(shù)和結構的研究，對接觸線磨損的研究等等。本文基于非線性有限元理論，建立了高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)的有限元耦合模型，模型中接觸網(wǎng)各部件均采用歐拉-伯努利直梁來模擬，受電弓弓頭和上框架、上下框架之間采用鉸鏈和非線性彈簧相互連接模擬，借助MARC軟件的后處理功能對影響高速鐵路弓網(wǎng)受流性能的主要弓網(wǎng)參數(shù)（接觸線截面、力

3、、結構高度、弓頭彈簧等）進行了動態(tài)仿真分析，分析過程均是設定其他參數(shù)變量不變的情況下目標參數(shù)的變化對弓網(wǎng)受流性能造成的影響，通過仿真結果的分析得到一些有用結論。以京津城際高速列車弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)為實例，建立與實際參數(shù)統(tǒng)一的有限元模型，借助仿真軟件從接觸線動態(tài)接觸力、動態(tài)抬升量、弓網(wǎng)離線率等方面對該弓網(wǎng)性能情況進行仿真，得到一系列動態(tài)接觸力、抬升量隨時間變化的歷程圖，結合西門子公司提供的仿真結果與京津城際現(xiàn)場的測試結果表明，本文建立的有限元模型和計算方法是正確和有效的，同時也表明京津城際具有良好的動態(tài)受流質(zhì)量。關鍵詞：高速鐵路；弓網(wǎng)系統(tǒng)；動態(tài)受流；京津城際；MARC；有限元仿真ABSTRACTABS

4、TRACT: The dynamic characteristic of the pantograph-catenary system affects directly the qualities of the current collection and the reliability of the locomotive movement. With the locomotive running speed increased, the dynamical contacting turns more and more complex and lead to a lot of problems

5、 about stable current-collection. The study on pantograph-catenary system is mainly focus on dynamic behavior, such as analysis of the contact force, study of parameters and structure, investigation of wear, etc.Based on thenonlinear finite element theory (FEM), the finite element model of the panto

6、graph-catenary dynamic system of High-speed train has been established in this thesis, in which model the highly nonlinear flexible catenary is modeled by flexible beam and the pantograph is modeled by hinge and nonlinear springs. The dynamic current-collecting performance of this pantograph-catenar

7、y system of High-speed train has been simulated and analyzed using MARC software, the dynamic contact pressure, lift-up displacement and the off-line ratio are all calculated and analyzed.Analysis is that the performance results of pantograph-catenary caused by changed target parameter with the othe

8、r parameters unchanged and get some useful conclusions through the analysis of simulation resultsTake pantogranph-catenary dynamic system of Beijing-Tianjin inter-city express as an example, establish finite element model which the model parameters are the same with the actual parameters, using simu

9、lation software to simulate the pantogranph-catenary dynamic performance,the simulation includes such three aspects as dynamic contact force of the contact line, dynamic uplift and the off-line ratio of pantogranph-catenary . Then get series of process map for dynamic contact force, uplift which var

10、y with the time. Comparing with the simulation results provided by Siemens and the field measure results show that, the finite element model and simulation approach proposed in this thesis are correct and credible, the results also show that the dynamic current-collecting performance is perfect.KEYW

11、ORDS: High-speed railway;Pantograph-Catenary System;Dynamic Current- Collection;Beijing-Tianjin Inter-City Express;MARC;Finite Element Simulation目錄中文摘要vABSTRACTvii目錄ix1緒論11.1 研究背景與意義11.2 接觸網(wǎng)結構介紹21.3 受電弓種類介紹41.3.1法國TGV型受電弓41.3.2德國受電弓1551.3.3日本PS系列受電弓1551.3.4國電力機車受電弓介紹15,2561.4弓網(wǎng)動態(tài)受流的研究現(xiàn)狀71.5 MARC軟件介紹

12、81.5.1 MARC簡介81.5.2 MARC在接觸分析中的應用91.6 論文主要容與章節(jié)安排102接觸網(wǎng)的有限元建模112.1接觸網(wǎng)的有限元分析112.1.1有限元理論簡介112.1.2 接觸網(wǎng)的有限元分析說明112.2國外接觸懸掛的幾類典型模型122.3接觸網(wǎng)的MARC有限元建模142.3.1高速接觸網(wǎng)建模時的仿真假設142.3.2 簡單鏈形接觸懸掛的有限元建模說明143受電弓的有限元建模163.1受電弓模型163.1.1 受電弓模型主要建模方法163.1.2 各類受電弓模型的優(yōu)劣性比較183.2受電弓的MARC有限元建模說明193.3 小結214接觸網(wǎng)-受電弓耦合動力學分析224.1弓

13、網(wǎng)動態(tài)受流質(zhì)量評價標準224.2弓網(wǎng)接觸分析在MARC中的實現(xiàn)過程234.2.1關于接觸問題的描述方法234.2.2 接觸分析流程234.3 應用MARC進行弓網(wǎng)有限元仿真結果的分析244.3.1 接觸導線截面尺寸對受流性能的影響分析244.3.2接觸線和承力索的力對受流性能影響分析304.3.3 接觸懸掛的結構高度對受流性能的影響分析324.3.4 受電弓的弓頭彈簧對弓網(wǎng)受流的影響344.4 小結425京津城際弓網(wǎng)系統(tǒng)MARC有限元分析445.1 京津城際弓網(wǎng)有限元模型部參數(shù)統(tǒng)計445.1.1 合成的京津城際弓網(wǎng)系統(tǒng)模型445.1.2 關于節(jié)點元素等的統(tǒng)計445.1.3 物理與幾何特性445

14、.1.4 模型分析的工況說明465.2 京津城際高速弓網(wǎng)的MARC有限元動態(tài)模型仿真結果分析475.2.1 不同速度下動態(tài)接觸力仿真結果分析475.2.2不同速度下動態(tài)抬升量仿真結果分析495.2.3 數(shù)據(jù)結果分析5053 小結526全文總結53參考文獻54索引56作者簡歷57獨創(chuàng)性聲明58學位論文數(shù)據(jù)集591 緒論1.1 研究背景與意義電力機車是十分重要的交通工具并以其運量大、速度快、能耗低、污染小、運價廉和安全可靠等優(yōu)點，成為高速機車中的主力軍。目前我國高速鐵路的發(fā)展十分迅速，2007年，中國首條高速鐵路-京津城際軌道交通客運專線完成鋪軌，它不僅是中國現(xiàn)代化鐵路建設的一個開端，也是中國真正

15、掌握世界最先進的高速鐵路建設技術的里程碑。2008年，中國高速鐵路建設步伐加快，不僅引人注目的京滬高速鐵路開始興建，廣高速鐵路、京石高速鐵路客運專線、至高速鐵路等等一大批高速鐵路建設工程都開始動工。未來為滿足快速增長的旅客運輸需求，將建立省會城市與大中城市間的快速客運通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運通道以與三個城際快速客運系統(tǒng)。建設客運專線1.2萬公里以上，客車速度目標值達到每小時200公里與以上，可見我國真正意義上的高速鐵路時代已經(jīng)到來，其蓬勃發(fā)展必然需要更多的專業(yè)人員加入到高速鐵路技術研究當中。電力機車是通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，并驅(qū)動牽引電機運行的。受電弓弓頭的滑板與接觸線接觸，相對

16、滑動，從接觸網(wǎng)上取下電流，輸送給電力機車，這一過程稱之為受流。受電弓與接觸網(wǎng)可靠地接觸是保證高速受流的重要條件，在此過程中受電弓與接觸網(wǎng)在電器和機械兩方面相互制約、相互依賴。通常受流質(zhì)量受很多因素的影響1-7，如接觸網(wǎng)的彈性系數(shù)、接觸線的坡度、接觸懸掛類型、接觸線材質(zhì)、接觸網(wǎng)的結構高度、受電弓靜提升力、滑板材質(zhì)、弓頭剛度值以與列車運行速度、加速度、車輛類型和線路條件等。隨著電力機車運行速度的提高，弓網(wǎng)間的動態(tài)性能越來越差8-14，尤其是弓網(wǎng)之間的接觸壓力變化幅度增大，當接觸力過小時，接觸電阻增大，將不能保證可靠受流，當接觸力等于零時，就出現(xiàn)離線現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)離線，會使弓網(wǎng)接觸中斷，從而產(chǎn)生不良

17、的后果，如:(1)離線的瞬間會產(chǎn)生電弧放電，燒蝕接觸線和滑板接觸面，使受流更加惡化，同時增加兩者間的電器腐蝕，縮短了工作壽命。(2)對附近的通訊線路產(chǎn)生干擾。(3)大離線和連續(xù)離線會使電力機車的正常供電受到破壞，并可能導致車電子元件破壞。因此研究解決受電弓在接觸網(wǎng)下的高速受流問題，研究受電弓的運動學特性和動力學特性十分重要，只有這樣才能使電力機車從接觸網(wǎng)上可靠地獲取電力能源。但是我國在受電弓和接觸網(wǎng)動態(tài)性能的研究方面起步較晚，在200以上的高速線路上所應用的大部分還是進口產(chǎn)品。因而，針對高速鐵路弓網(wǎng)關系的特點，在理論上建立較合理的受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，研究高速弓網(wǎng)的動態(tài)受流問題成為發(fā)展我國高速

18、鐵路的當務之急。1.2 接觸網(wǎng)結構介紹接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，主要由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎四部分組成。其中接觸懸掛由接觸線、吊弦、承力索以與連接部件等構成，它通過支持裝置架設在支柱上，其功用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車；支持裝置包括斜腕臂、水平拉桿、懸式絕緣子串，棒式絕緣子與其它建筑物的特殊支持設備，用以支持接觸懸掛，并將其負荷傳給支柱或其它建筑物，這根據(jù)接觸網(wǎng)所在區(qū)間、站場和大型建筑物而有所不同；定位裝置包括定位管和定位器，其功用是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運行軌跡圍，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負

19、荷傳給支柱；支柱與基礎用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。我國接觸網(wǎng)中采用預應力鋼筋混凝土支柱和鋼柱，基礎是對鋼支柱而言的，即鋼支柱固定在下面的鋼筋混凝土制成的基礎上，由基礎承受支柱傳給的全部負荷，并保證支柱的穩(wěn)定性；預應力鋼筋混凝土支柱與基礎制成一個整體，下端直接埋入地下。接觸網(wǎng)按接觸懸掛的類型來區(qū)分，一般有簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩大類。下面將對這兩種懸掛形式的接觸網(wǎng)加以介紹：（1）簡單接觸懸掛：簡單接觸懸掛（以下簡稱簡單懸掛）系由一根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式。該懸掛方式較為簡單，支持裝置和支柱所承受的荷載較輕，支柱高度要求較

20、低，因而建造費用比較經(jīng)濟，且施工方便與維修簡單。但缺點是弛度大，彈性不勻，不利于電力機車高速運行時受流的要求。過去簡單懸掛只用于在機車運行速度較低，取流較小的線路，如機車出入庫線、廠礦企業(yè)的直流電氣化鐵路和其它臨時鐵路中。但是在干線上有隧道高度限制時也可采用簡單懸掛。由于隧道設置懸掛點比較方便，可適當縮短跨距，從而使上述問題得到改善。高速鐵路通常不采用這種懸掛方式。我國現(xiàn)采用的帶補償裝置的彈性簡單懸掛系統(tǒng)時在接觸線下錨處裝設了力補償裝置，以調(diào)節(jié)力和弛度的變化；在懸掛點上加裝816長的彈性吊索，通過彈性吊索懸掛接觸線，這就減少了懸掛點處產(chǎn)生的硬點，改善了取流條件；另外也通過適當縮小跨距，增大接觸

21、線的力去改善弛度對取流的影響。 （2）鏈形懸掛：鏈形懸掛的接觸線是通過吊弦懸掛在承力索上。承力索懸掛于支柱的支持裝置上，使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點，利用調(diào)整吊弦長度，使接觸線在整個跨距對軌面的距離保持一致。鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度，改善了彈性，增加了懸掛重量，提高了穩(wěn)定性，可以滿足電力機車高速運行受流的要求。鏈型懸掛有多種形式，有單鏈形、雙鏈形和多鏈形等。其中簡單鏈型懸掛如圖1.1（a）所示由一條接觸線和一條承力索以與它們之間若干根吊弦組成。這種鏈型懸掛的彈性，決定于跨距、接觸線和承力索的力。采用一條接觸線和傳統(tǒng)拉應力的鏈型懸掛，其跨中彈性圍為0.15至1.5，當然其

22、跨中和懸掛點處的彈性差別很大，懸掛點處的彈性只能達到跨中彈性的30%至50%左右。彈性鏈型懸掛，如圖1.1 (b)所示，仍為單鏈型懸掛的一種，跨距以與承力索和接觸線的力也決定其彈性，跨中彈性值為0. 5至1.2，應對輔助承力索的長度和力進行優(yōu)選，致使懸掛點處的彈性達到跨中彈性的80%，這是高速行駛性能所要求的。圖1.1 (c) (d)所示為復式鏈型懸掛結構形式，這種懸掛形式是在承力索和接觸線之間另加一條輔助承力索，它使彈性大大降低。在65跨距時，跨中彈性可在0.25至0. 4之間，日本在新干線上就經(jīng)常采用這類懸掛形式。(a)簡單鏈型懸掛 (b)彈性鏈型懸掛 (c)簡單雙鏈型懸掛 (d)彈性雙鏈

23、型懸掛 1-接觸線；2-承力索；3-簡單支柱吊弦；4-彈性吊弦；5-輔助承力索；圖1.1接觸懸掛示意圖Fig 1.1 Schematic diagram of overhead suspension1.3 受電弓種類介紹受電弓是一個彈性結構裝置，它由升弓彈簧保持弓頭滑板與接觸導線的接觸。弓網(wǎng)系統(tǒng)中要保持良好的受流特性，除了接觸網(wǎng)的參數(shù)外，還必須有性能良好的受電弓來配合。各國在發(fā)展高速電氣化鐵路的過程中，相繼開展了對高速受電弓的研究。近20年來研制了不少類型的高性能受電弓，取得了很大的效益。以下將簡要介紹一下各國不同類型結構的受電弓：1.3.1法國TGV型受電弓基于受電弓特性與受流的關系，法國T

24、GV15采用了輕型兩級式（雙層）的A型（單臂）受電弓，受電弓的整體質(zhì)量約300,上部的動質(zhì)量約13（在260時），靜抬升力為70，動抬升力為180（在260時）。交流區(qū)段用一臺受電弓，最大電流0.6 ,直流區(qū)段用雙弓，最大電流1。目前在巴黎里昂線使用的是鋼滑板受電弓；大西洋線采用單級受電弓，這是由于兩級式受電弓的揚力特性不好，當抬升力過大時，線路的磨損就增加了。下圖1.2為TGV型某受電弓：圖1.2 TGV受電弓Fig 1.2 Pantograph TGV1.3.2德國受電弓15德國ICE高速列車用DSA-350型受電弓，整體質(zhì)量140，接觸壓力為50130，驅(qū)動方式是氣動升弓，有阻尼的降弓。

25、滑板采用鐵制的弓頭焊碳滑板，形成一個整體，更換時一體更換，壽命很長，更換周期通常15，在條件惡劣情況下也可達65 ，不涂石蠟或黃油。最大允許電流0.8，瞬時為1.3，最高運行速度280；DSA-350 S受電弓是在DSA-350受電弓的改進型。DSA-350S型受電弓與ICE1型列車運行，運行速度250；DSA-350 SEK型又是DSA-350S的改進型，僅106，裝有自動降弓裝置，受電弓的滑板運行效率較高，在ICE牽引中每塊滑板可以運行1214萬公里。DSA-380D和DSA-380E與新一代高速列車ICE 3一起使用，運行速度達330。SBS65型單臂受電弓在試驗線上與Re250接觸網(wǎng)配

26、合使用，運行速度為250，測得最大接觸壓力為165.225，平均值為82.89，在同樣區(qū)段和試驗條件下速度為160時,測得最大接觸壓力值125，平均值為46.50。對離線來說，SBS65型受電弓在200運行速度下，離線為每公里2次，離線時間為9。該型號的受電弓體積小，重量輕，維護費用低，并具有較好的空氣動力學性能。1.3.3日本PS系列受電弓15日本對受電弓的研究主要是針對衡量受電弓好壞的主要指標之一離線率進行，受電弓的改進始終都是為了降低離線率。使離線率減小的主要措施是減小受電弓頂部的歸算質(zhì)量。日本國鐵采用PS系列和AM18型受電弓。其中PS13和PS16受電弓為彈簧升弓，弓頭數(shù)量為2，歸算

27、質(zhì)量分別為320和174；PS17和PS100受電弓為空氣升弓，弓頭數(shù)量分別為2和1，歸算質(zhì)量分別為200和140；PS200型受電弓在日本新干線應用，為彈簧升弓，歸算質(zhì)量分別為108；AM18型受電弓為Z型框架結構，應用于法國國鐵。綜合國外幾種受電弓的參數(shù)性能比較見下表1-1。表1-1 國外受電弓性能比較Tab. 1-1 Performance comparison of foreign pantograph1.3.4國電力機車受電弓介紹15,25我國自行研制的受電弓主要有TSG 400/250和630/25型。TSG 400/250型號受電弓額定電壓25，最高運行速度100,額定電流400

28、，額定工作氣壓500，最小工作氣壓450，最大升弓高度大于2.6，工作高度0.52.5，在工作高度圍，滑板對接觸導線的靜壓力70士10，上升和下降到同一高度的壓力差小于10，升弓時間小于8，降弓時間小于7,重量248 ，主要應用在SS7型電力機車。而 630/25型是以法國Faiveley公司的AMS lUF型受電弓為基礎的國產(chǎn)化產(chǎn)品，為滿足160的運行速度要求，該受電弓底座上安裝有2組升弓彈簧和1付受電弓阻尼器，升弓彈簧和阻尼器的另一端均安裝在鉸鏈機構的下臂桿上。緩沖閥通過控制進、出傳動風缸的壓縮空氣流量來控制受電弓升、降弓動作的快慢。下圖1.3為我國自行研制的一正在試驗中的受電弓：圖1.3

29、 試驗中的受電弓Fig 1.3 The pantograph in testing1.4弓網(wǎng)動態(tài)受流的研究現(xiàn)狀弓網(wǎng)受流過程是一個動態(tài)過程，包括了多種機械運動型式和電氣狀態(tài)變化，接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)的理想運行是弓網(wǎng)可靠接觸、無離線、無火花，機車不間斷從接觸網(wǎng)上獲得電能的重要保證。通常改善弓網(wǎng)受流的性能主要從兩方面展開，一是提高受電弓自身動態(tài)特性，二是改善接觸網(wǎng)特性。事實上，受電弓和接觸網(wǎng)相互耦合，相互作用，只有很好的處理二者關系，研究其相互作用機理，才有可能從根本上提高機車受流質(zhì)量。自從上個世紀50年代以來，國外專家就開始了弓網(wǎng)動態(tài)受流的研究工作并取得了一定成果。文獻16,17從弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性、

30、接觸線波動速度、離線率等方面研究了受流理論。于正平18等分析了高速電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定受流的發(fā)展，并對高速列車的空氣動力學進行研究。文獻19從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布方面入手，提出改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施。文獻20-23研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛型式與相關參數(shù)，對影響動態(tài)受流特性進行了理論探討與分析。研究表明，接觸線的波動速度對實際列車的運行速度有制約關系；從接觸懸掛的結構與工藝精度上，解釋了接觸線反射因數(shù)與增強因數(shù)的機理。文獻24研究了列車流線外形與氣動性能的關系、隧道-列車耦合空氣動力特性，介紹了研制流線形列車車體的成套技術與全面推廣應用情況。文獻27利用仿真工具建立了高速受電弓框

31、架結構的幾個關系模型，從列車平穩(wěn)受流對受電弓的要求與弓頭平衡桿平動入手，對使受電弓性能達到最優(yōu)的幾何參數(shù)進行了分析研究并明確優(yōu)化方法在受電弓設計中的作用。1.5 MARC軟件介紹1.5.1 MARC簡介MARC是美國MSC.Software公司的非線性有限元分析求解器，它的圖形界面為MENTAT,共有5部分組成：動態(tài)菜單、靜態(tài)菜單、對話框、狀態(tài)顯示和繪圖區(qū)，如圖1.4：圖1.4 MARC軟件顯示界面Fig 1.4 Display window of software MARC各部分主要功能如下：動態(tài)菜單：也稱主菜單，共有四部分組成：生成有限元網(wǎng)格，交互式輸入邊界條件、材料參數(shù)、幾何參數(shù)、初始條

32、件、接觸條件、定義載荷工況等，進行有限元數(shù)值分析和計算，顯示計算結果，進行后處理。靜態(tài)菜單：主要是一些常用的快捷選項，用的最多的是DYN.MODEL、FILES、UNDO、VIEW、PLOT、SHORTCUTS等。對話框： 對話框支持鍵盤輸入，約5行可見的滾動區(qū)，在這個區(qū)里，將顯示所有的程序提示、警告和應答，用戶可以輸入數(shù)據(jù)和命令。這個部分的顯示信息十分有用，不論哪個部分出現(xiàn)了MENTAT可識別的命令，這里都會有顯示，甚至可以直接復制進行修改。狀態(tài)區(qū)： 這里留作向用戶傳遞程序的狀態(tài)，在狀態(tài)區(qū)里會出現(xiàn)Working、Ready和Drawing三個狀態(tài)。 繪圖區(qū)： 模型操作與顯示區(qū)。MARC軟件是

33、處理高度組合非線性結構、熱與其他物理場和耦合場問題的高級有限元軟件，其突出特點是它的非線性分析能力。MARC軟件可以處理來自材料、幾何和邊界條件這三類來源的非線性問題。實際的非線性問題往往不只簡單的出現(xiàn)一種非線性，而是同時出現(xiàn)材料、幾何和邊界非線性的組合，對于這種情況，MARC采用非線性方程組，數(shù)值解法、接觸迭代以與自適應時間載荷步長選擇，來確?？焖偾蠼夥蔷€性問題。1.5.2 MARC在接觸分析中的應用接觸是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，屬于非線性約束問題。工程實踐中，大多數(shù)物體之間的 相互作用通過接觸實現(xiàn)，在金屬與塑料的加工、密封圈的密封、軸承分析、鐵軌分析中分析接觸問題更是關鍵所在。如果MARC

34、能夠很好地、高精度地求解接觸問題，就會使這些問題的分析變得非常方便、靈活。用戶不需要具備非常專業(yè)的理論知識,自己建立和推導問題的數(shù)學模型，編制和調(diào)試相應的有限元程序，只需在MARC軟件中建模、劃分網(wǎng)格、加載邊界條件等就可方便的得到所需結果。數(shù)學上描述接觸問題的方法有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、直接約束法。與這三種方法相對應，MARC軟件提供了處理接觸問題的三種算法：基于拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法的接觸界面單元、基于罰函數(shù)方法通過用戶子程序施加非線性彈簧、基于直接約束的接觸算法。 直接約束法追蹤物體的運動軌跡，一旦探測出發(fā)生接觸，便將接觸所需的運動約束(法向無相對運動，切向可滑動)和節(jié)點力(法向壓力

35、和切向摩擦力)作為邊界條件直接施加在產(chǎn)生接觸的節(jié)點上。這種方法對接觸的描述精度高，具有普遍適應性，不需要增加特殊的界面單元，也不涉與復雜的接觸條件變化，但由于接觸關系的變化會增加系統(tǒng)矩陣帶寬。基于直接約束的接觸算法是解決所有接觸問題的通用算法，特別是對大面積接觸，以與事先無法預知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題，程序能根據(jù)物體的運動約束和相互作用自動探測接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨特之一是接觸體的定義十分簡潔，完全拋開了目前其它軟件采用的定義接觸單元或接觸點對的繁雜過程，這是MARC在處理接觸問題時最常用的方法。MARC在接觸分析中提供了四類接觸體：可變形接觸體、剛性接觸體、允許傳熱的剛性接觸體、對稱面

36、。MARC可以分析各種接觸體之間的接觸，而且不限接觸體個數(shù)，對多接觸體之間的可能接觸關系用接觸表定義。對接觸分析中的摩擦問題，MARC提供了兩種模型：庫侖摩擦、剪切摩擦。接觸問題的算法流程包括：(1)定義接觸體；(2)探測接觸；(3)施加接觸約束；(4)模擬摩擦；(5)修改接觸約束；(6)檢查約束的變化； (7)判斷分離和穿透；(8)熱-機耦合分析。接觸分析結果可以顯示接觸壓力、接觸摩擦力以與接觸面積，對剛性接觸體，還能提供剛性接觸體上的接觸合力、合力矩與其變化歷程曲線。1.6 論文主要容與章節(jié)安排本文通過仿真分析了一些主要弓網(wǎng)參數(shù)對弓網(wǎng)動態(tài)受流的影響，并以實際京津城際高速弓網(wǎng)為實例建立相應有

37、限元耦合模型并仿真分析得出相應結論。第1章主要介紹本文的研究背景與意義、接觸網(wǎng)與受電弓種類、弓網(wǎng)動態(tài)受流的研究現(xiàn)狀和軟件MARC。第2章介紹了接觸網(wǎng)模型分析的發(fā)展歷程、幾種典型的接觸網(wǎng)分析模型以與具體的軟件 MARC建立接觸網(wǎng)的有限元模型工程，。第3章介紹了受電弓幾種典型的分析模型與優(yōu)劣性比較并在最后說明用軟件 MARC建立受電弓的有限元模型的過程。第4章主要容是從軟件MARC的仿真入手分析了接觸導線截面尺寸、接觸線和承力索的力、接觸懸掛的結構高度和受電弓弓頭彈簧剛度等參數(shù)對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，并得到一些結論。第5章綜合本文和西門子公司的仿真結果對實際運營的京津城際高速弓網(wǎng)的動態(tài)受流狀況進

38、行一個比較全面的評估。第6章對全文進行總結，概括本文的不同弓網(wǎng)參數(shù)對受流的影響與所得到的結論和統(tǒng)計結果，并對今后弓網(wǎng)受流的研究提出展望。2 接觸網(wǎng)的有限元建模2.1接觸網(wǎng)的有限元分析2.1.1有限元理論簡介有限元法是一種求解連續(xù)介質(zhì)力學問題的數(shù)值方法，對于解決復雜結構靜力、動力問題也是一種非常有效的分析方法，其求解精度可滿足工程上的需要。有限元的實施可分為三步：(1)將整體結構或其中一部分簡化成為理想的數(shù)學模型。用離散化的網(wǎng)格代替連續(xù)實體結構；(2)分析計算結構的受力、變形與特性；(3)將計算結果進行整理歸納。一般說來第一步和第三步的工作量最大。一個有限元程序的好壞，在很大程度上取決于前后處理

39、功能是否強大。 對于前處理而言，要根據(jù)計算目的和所關心的區(qū)域。將結構模型化、離散化。這樣就必須給出以下信息：(1)節(jié)點空間位置（坐標值)；(2)單元與節(jié)點的連接信息；(3)結構的物質(zhì)特性和材料參數(shù)；(4)邊界條件或約束。對每分析一個問題都要準備上述數(shù)據(jù)，而對于較大的結構則要準備成千上萬的數(shù)據(jù)。用人工完成這項工作是非常繁瑣的，而且錯誤在所難免。近年來由于高速度、大容量計算機的出現(xiàn)，為有限元技術廣泛應用于大型工程結構創(chuàng)造了良好條件，而有限元理論的不斷完善又開拓了有限元分析方法的應用領域。有限元法的基本指導是：以實際結構進行分析，其邊界條件和約束處理不僅方便，而且越來越逼近于工程實際。2.1.2 接

40、觸網(wǎng)的有限元分析說明接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個十分復雜的空間桿件系統(tǒng)，有限元法能針對接觸網(wǎng)的實際結構邊界條件與約束特性進行定量的分析計算，為設計提供豐富的、反映實際工況的計算結果，并可配有豐富的動態(tài)圖形顯示功能。因此在對接觸網(wǎng)的結構設計計算與應力分析中，為了充分利用到有限元法的優(yōu)越性，可以利用一些優(yōu)秀的非線性有限元分析軟件對接觸網(wǎng)的結構先進行計算機三維建模，并在此基礎上對零部件與接觸網(wǎng)支持結構的應力進行有限元分析，直觀、量化清晰地看到接觸網(wǎng)零件與接觸網(wǎng)支持結構在外力分布作用下的應力分布，避免以往對接觸網(wǎng)各部件與接觸網(wǎng)結構在外力作用下的應力分布一直做經(jīng)驗性分析，而定量分析很少的缺陷。2.2國外接觸懸掛的幾

41、類典型模型接觸網(wǎng)是由接觸線、承力索等組成的以跨距為周期重復出現(xiàn)的連續(xù)系統(tǒng)，受流過程就是指受電弓以一定的抬升力與接觸線進行滑動接觸，從接觸線上取得電流并傳送給電力機車的過程，在此過程中由于受電弓的抬升作用會使接觸懸掛發(fā)生振動。在高速弓網(wǎng)受流的仿真研究方面，世界各國雖然在研究對象與研究目標上都是一致的，但構造物理模型的思路和研究方法卻不盡一樣，其中具有代表性的也是應用最多的是日本Manabe的集中質(zhì)量模型和美國Vinayagalingam的歐拉粱模型30-32。下面將分別進行簡要概述：（1）集中質(zhì)量模型該模型是采用軟索且把接觸線和承力索分成連續(xù)的質(zhì)點，把接觸點的移動當成是質(zhì)點的移動，把接觸線和承力

42、索的連續(xù)質(zhì)量轉(zhuǎn)換為性質(zhì)一樣且具有一定距離的質(zhì)點質(zhì)量，把懸掛點看成是一個有一定彈性性能的固定點，其接觸懸掛的物理模型如圖2.1：（a）簡單鏈形懸掛（b）彈性鏈形懸掛（c）復式鏈形懸掛圖2.1 接觸懸掛的集中質(zhì)量模型Fig 2.1 Concentrated mass model of overhead suspension構造模型的思路體現(xiàn)了下述一些基本觀點：1）全部分布質(zhì)量設為集中質(zhì)點，對于接觸線，將吊弦點和吊弦中間點設為集中質(zhì)點，對于承力索，僅考慮設吊弦中間點為質(zhì)點；2）吊弦將承力索和接觸線連接在一起，吊弦本身沒有質(zhì)量和變形；3）承力索、接觸線在吊弦點，質(zhì)點位置是鉸接狀態(tài)，其余各處看成沒有質(zhì)量

43、的棒條；4)整個系統(tǒng)的變形發(fā)生僅發(fā)生在上下方向，而其他方向沒有位移。（2）歐拉梁模型該類模型是由承力索、接觸線和分布于任意位置的彈性吊弦與支柱吊弦組成，把接觸懸掛當成一根兩端加有力的梁來研究，模型中考慮了每條線的力、質(zhì)量、馳度、阻尼等因素，因此必須涉與到抗彎剛度。雖然這種抗彎狀態(tài)被限制在弓網(wǎng)接觸點附近的小區(qū)域，但仍然使數(shù)值分析變得十分復雜。盡管如此，采用兩端受有力的梁的模型，與集中質(zhì)量模型中采用的軟索相比具有不可替代的優(yōu)點。當列車速度接近波動傳播速度時，軟索模型和梁模型的求解結果有很大差異。因為在運動點的接觸壓力影響下，軟索模型在接觸線出現(xiàn)坡度時表現(xiàn)出不連續(xù)性，這與實際接觸懸掛的物理特性不符；

44、采用軟索模型在運動速度較高時，其振動波在傳播中遇到吊弦與定位器等集中質(zhì)量的點時，會產(chǎn)生反射，對受流產(chǎn)生不利的影響。因而采用梁模型的接觸懸掛在進行弓網(wǎng)系統(tǒng)相互作用的高頻分析中，對于分析諸如運動載荷、大位移和復雜邊界條件的大型接觸網(wǎng)來說，分析精度得到顯著提高，結果更加接近實際。本文下面所建的接觸網(wǎng)模型也是基于這種理論，詳細容后面論述。另外還有英國的Scott和Rothman研究的類集中質(zhì)量模型，這種接觸網(wǎng)模型中的每個吊弦點和懸掛點有一個集中質(zhì)點，在每對相鄰吊弦之間（或吊弦與懸點之間）的集中質(zhì)點盡可能均勻分布；德國Link的“與頻率相關的有限元”模型，該模型基于受電弓與接觸懸掛共同作用的力為研究對象

45、，用與頻率有關的有限元發(fā)建立方程和運算，同時接觸懸掛可作為平面等效系統(tǒng)。2.3接觸網(wǎng)的MARC有限元建模2.3.1高速接觸網(wǎng)建模時的仿真假設實際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個非常復雜的振動系統(tǒng)，要從理論上完全真實地反應實際懸掛系統(tǒng)的振動特性是十分困難的，因此在進行理論分析時，為抓住問題實質(zhì)，必須對整個接觸懸掛系統(tǒng)進行簡化，本文應用MARC建立了簡單鏈形懸掛型式接觸網(wǎng)的有限元模型，在建立模型分析時做了以下一些近似假設：(1)由于橫向振動對弓網(wǎng)的接觸影響很小，本文只討論接觸網(wǎng)的垂向振動；(2)承力索、接觸線、吊弦等均簡化為具有抗彎剛度、力以與線密度的歐拉梁。(3)承力索、接觸線、吊弦等質(zhì)量視為均勻分布，分布與

46、接觸懸掛上；(4)接觸網(wǎng)錨段之間相互獨立，對于錨段連接部分，它們的端點可簡化為固定鉸鏈連接。(5)不考慮風速等瞬時負載，同時暫不考慮空氣動力的影響。2.3.2 簡單鏈形接觸懸掛的有限元建模說明本文建立的簡單鏈形懸掛的模型是依據(jù)京津城際的實際接觸網(wǎng)參數(shù)建立，總共建立了6個跨距、7個支柱的有限元模型，每個跨距的距離均是48米。接觸線距地面高度是5.35米，“之”字值為0.3米。在建立有限元模型過程中為了加快效率，對一樣的懸掛部分采取了取集合名的方法，以便于對同類幾何實體進行快速網(wǎng)格劃分與后面的邊界條件、材料特性和幾何特性等的添加。具體的對模型中接觸網(wǎng)部分的取名過程如下：（1）支柱部分：該部分共有3

47、個幾何實體，分別命名為mast_pole1_curves，mast_pole2_curves ，mast_pole3_curves；（2）定位裝置：stabilizer_curves（3）腕臂部分：平腕臂命名為top_bar_curves，斜腕臂分為兩部分，分別命名arm1_curves，arm2_curves（4）接觸線：各跨接觸線都是一樣的，但是為了在建立模型時應用復制功能提高建模效率，將接觸線分別命名overhead_wire1_curves，overhead_wire2_curves；（5）承力索：為了建模方便也是將其命為兩個名字catinery1_curves，catinery2_c

48、urves（6）吊弦：dropper_curves為了進一步簡化建模過程，忽略接觸懸掛中的接觸線的預馳度，但是考慮承力索的馳度問題?？紤]到定位裝置要求靈活，在沿線路方向既能發(fā)生移動又能在受電弓通過定位點時能上下動作自如，因此定位部分與斜腕臂部分的一律施加為鉸鏈連接（tying type 52），以滿足這種特殊需求。為了將主要精力放在弓網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵接觸問題上，在對所生成的接觸網(wǎng)幾何實體的網(wǎng)格劃分時進行了不同程度的粗細劃分，具體如下：（1）支柱：每根幾何實體支柱劃分為四個網(wǎng)格單元體；（2）定位部分：定位裝置是在定位點處對接觸線實現(xiàn)相對于線路中心進行橫向定位與固定接觸線高度的裝置，為了建模的方便本模

49、型中僅建立了定位管的幾何實體，并將每根定位管劃分為2個單元體；（3）腕臂部分：其中平腕臂一個幾何實體劃分為三個單元體，斜腕臂為2個單元體；（4）接觸線：本模型中每個跨之間共有5根吊弦，由于接觸線是直接與受電弓進行接觸的關鍵部分，這里對它進行了較細致的單元劃分，每兩根吊弦之間的一段接觸線共分成8個單元體；（5）承力索：承力索的作用是通過吊弦將接觸線懸掛起來，并不直接參與接觸，因此對其劃分相對粗略，每根吊弦之間的承力索只分成了2個單元體；（6）吊弦：連接承力索和接觸線的吊弦也是接觸懸掛中十分重要的一個部件，本模型中將吊弦分成2個單元體；通過軟件中的boundary condition type菜單

50、項將七根支柱下端的六個自由度全部限制，也即使支柱在x，y，z軸三位移方向上既不能運動也不能旋轉(zhuǎn)，以模擬實際接觸網(wǎng)系統(tǒng)中支柱在地基中的固定作用。在所建立的6跨的接觸網(wǎng)有限元模型中，在第一個支柱連接線上，限制住接觸線與承力索與支柱部分連接點在z軸方向上的移動，也就是約束了模型中節(jié)點編號12，15，165在線路方向z方向的運動；在第七根支柱與承力索和接觸線連接點上分別加上21KN和27KN的力，這兩個點在模型中的編號分別是228，434，需要說明的是這兩個力對接觸懸掛部分的施加過程并不是恒定不變的，它遵循一個函數(shù)關系。3 受電弓的有限元建模3.1受電弓模型3.1.1 受電弓模型主要建模方法受電弓是一

51、個復雜的機械裝置,種類很多，不同的受電弓因其適用的速度和場合不問，其結構也不盡一樣，我國的電力機車上使用的多為單臂受電弓。其結構簡圖如圖3.1所示，由于實際的受電弓桿件多，結構復雜，其中包括許多間隙、鉸接點和摩擦副，因此很難建立完全反映實際情況的模型。圖3.1受電弓結構簡圖Fig 3.1 Structure sketch of pantograph由于受電弓系統(tǒng)復雜，長期以來研究者們對其的仿真求解困難很大，一般來說須進行線性化處理，處理后變?yōu)橐辉?、二元或三元線性集中質(zhì)量模型。所謂集中質(zhì)量模型就是利用動能等效原理將原結構簡化為幾個具有集總質(zhì)量的模型, 即分別采用帶有質(zhì)量的集總質(zhì)量單元來模擬弓頭和

52、升弓框架的歸算質(zhì)量，并采用彈簧單元來模擬弓頭彈簧，模型考慮了弓頭彈簧剛度與阻尼、升弓框架剛度與阻尼等參數(shù)對受流性能的影響。由于一元質(zhì)量模型是最初采用的也是最簡單的線形受電弓模型，且它只能反映受電弓的低頻特性, 因此在高速弓網(wǎng)系統(tǒng)中須選用二元或三元受電弓的模型。(1) 受電弓二元集中質(zhì)量模型圖3.2二自由度模型Fig 3.2 2-Freedom degree model圖3.2是一個較完整的受電弓模型，它上面的質(zhì)量、彈簧和阻尼可以直接由弓頭參數(shù)轉(zhuǎn)換而來，下面的質(zhì)量、彈簧和阻尼則由框架部分的質(zhì)量、各個構件的轉(zhuǎn)動慣量、升弓力、重力、摩擦與阻尼等參數(shù)依據(jù)動能等效原理轉(zhuǎn)換而來,如果把受電弓的各個構件看成

53、剛體的話，受電弓有2個自由度,因此成為2自由度模型。模型中各參數(shù)意思如下：升弓力；：接觸線等效剛度()；:受電弓弓頭剛度系數(shù)；、：受電弓弓頭有效質(zhì)量、受電弓框架有效質(zhì)量；、：受電弓弓頭阻尼系數(shù)、受電弓框架阻尼系數(shù)；、：受電弓與接觸線的接觸點的變形、受電弓弓頭的垂直位移、框架的垂直位移。(2) 受電弓三元集中質(zhì)量模型受電弓的三自由度模型不同于二自由度模型之處在于將受電弓看成三個剛體部分，即將框架部分分為上框架和下框架分別等效，具體模型如圖3.3：圖3.3 三自由度模型 Fig 3.3 3-Freedom degree model模型中各參數(shù)意思如下：升弓力；：接觸線等效剛度()；、: 受電弓弓頭

54、剛度系數(shù)和上下框架間的剛度系數(shù)；、：受電弓弓頭有效質(zhì)量、上框架質(zhì)量和下框架質(zhì)量；、：受電弓弓頭阻尼系數(shù)、上下框架間阻尼系數(shù)和下框架與機車車體間的阻尼系數(shù)；、：受電弓與接觸線的接觸點的變形、受電弓弓頭的垂直位移、上框架的垂直位移、下框架的垂直位移。上面兩種受電弓的歸算質(zhì)量模型是一直以來應用比較廣泛的，除此之外還有考慮弓頭側(cè)滾的Martin Lesser Lennart Karlsson等建立的“準空間模型”21；豐良研究過的非線性模型22；另外還有本文下面應用的有限元受電弓模型，關于這個模型的詳細說明與優(yōu)勢將在本章后面部分論述。3.1.2 各類受電弓模型的優(yōu)劣性比較以往國外研究弓網(wǎng)動力學系統(tǒng)時所

55、采用的受電弓模型多為上文提到的集中質(zhì)量模型30-32，由于這種模型難以反映接觸網(wǎng)較高頻率的振動，所得結果并不十分精確；專著35-37都對弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)的各種模型建立進行了詳細的闡述，并可以看出采用有限元法建立弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的模型尤其是受電弓的有限元模型，是依據(jù)該型號受電弓本身結構的實際尺寸、幾何形狀以與材質(zhì)等建立有限元模型。這種模型比較形象、直觀不僅能考慮到弓頭彈簧的垂直運動和中、底部連接的扭轉(zhuǎn)運動、重力作用、弓網(wǎng)間的摩擦等而且還考慮了上框架的彎曲，因此計算精確度較高。正是基于采用受電弓的有限元模型進行弓網(wǎng)耦合分時所具有的以上這些優(yōu)點，本文應用MARC軟件建立了京津城際高速受電弓-德國WLO185

56、型受電弓有限元模型，如圖3.4：圖3.4 受電弓的有限元網(wǎng)格模型Fig.3.4 The finite element model of overhead contact line3.2受電弓的MARC有限元建模說明在建立受電弓模型時，對實際模型進行了一些簡化，不計細微部件的結構細節(jié)，而將其簡化為質(zhì)量、彈性等效的部件。簡化后的有限元模型主要由下框架和推桿、上框架和弓頭與滑板三部分組成，這三部分通過鉸鏈和非線性彈簧連接，目的是限制Y軸和Z軸的所有相對位移和相對旋轉(zhuǎn)，如圖3.5所示（圖中的五個小黑點表示模型中各部件間的鉸鏈和非線性彈簧連接）。圖3.5 受電弓模型的鉸鏈Fig.3.5 Hinge li

57、nkage of pantograph model鉸鏈僅允許連接部件在整體坐標系x軸方向的相對旋轉(zhuǎn)，這里非線性彈簧將約束它們的相對旋轉(zhuǎn)。弓頭上的滑板可以通過移動z軸負方向的推桿的末端（朝向下框架末端點）進行推動，一旦滑板到了最終位置，鉸鏈即自鎖。自鎖功能是通過確定一個關于時間函數(shù)的彈簧剛度來模擬的，如圖3.6所示：當弓頭上升時剛度為0，一旦弓頭到達最終位置則設置為一個很大的值，本文在計算時設定為106。結合下面圖標解釋如下：由于本文在進行分析時前2秒是弓網(wǎng)的預加載過程，在此過程中弓頭彈簧剛度設定為零，而在此后的分析時間里彈簧剛度設定為106，由圖可見前2秒時間彈簧剛度倍乘系數(shù)為0，而之后為1。在MARC軟件中將spring mechanical properties項目中的stiffness值定為106，將其關聯(lián)圖表table定為圖3.6所示函數(shù)spring_stiffness，即可實現(xiàn)上述要求。圖3.6 彈簧剛度的模擬函數(shù)圖Fig.3.6 Simulation function figure of spring stiffness由于實