本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)彈性分析與仿真

接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)彈性分析與仿真第PAGEI頁(yè)院系專業(yè)摘要本論文建立了接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的參數(shù)化的有限元模型。通過(guò)求解該模型，可以得出觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的初始狀態(tài);同時(shí)通過(guò)在錨段關(guān)節(jié)受電弓過(guò)渡處的接觸線上加載恒定抬升力，可以得出抬升作用下的新的狀態(tài)。對(duì)比接觸網(wǎng)系統(tǒng)的初始狀態(tài)和抬升力作用下的狀態(tài)，從而可以得出靜態(tài)抬升量，并計(jì)算出接觸線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的彈性和整個(gè)跨距內(nèi)的彈性不勻度。文中先研究了簡(jiǎn)單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛兩種接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性。在掌握了接觸懸掛建模和分析的情況下，建立了參數(shù)化的三跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)、四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)和五跨錨段關(guān)節(jié)有限元模型。重點(diǎn)對(duì)三跨錨段關(guān)節(jié)通過(guò)改變跨距長(zhǎng)度、吊弦布置密度、接觸線張力、承力索張力以及彈性鏈形懸掛的彈性吊索長(zhǎng)度等接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)，分別得出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下過(guò)渡跨的彈性以及彈性不均勻度。通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨彈性計(jì)算的研究，并利用得到的有用結(jié)論，可以為接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持;也可以應(yīng)用到我國(guó)的既有線改造上，通過(guò)改變接觸網(wǎng)系統(tǒng)跨距長(zhǎng)度、吊弦布置、接觸線張力、承力索張力和下錨支的抬升量等參數(shù)，使接觸網(wǎng)錨段過(guò)渡處的彈性和彈性均勻度滿足改造的要求。關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；錨段關(guān)節(jié)；有限單元法；彈性；靜態(tài)抬升量AbstractParameterizedmodeloffiniteelementofoverlapsofcontactsystemisbuiltbythepaper.Throughsolvingthemodel,theinitialstateofoverheadcontactsystemcouldobtain.Atthesametime,we’llgetthesecondstateundertheactionofliftforcewhichwasloadedonthecontactwire.Bycontrastingthetwostateswe’llgainthestaticupliftingamountandcalculatetheelasticityofthecorrespondingpointsofcontactwireandthedegreeofnonuniformity[%]inall-inspan.Inthethesis,wefirstlyresearchtheelasticityandthedegreeofnonuniformity[%]oftheoverheadcontactsystemofsuchtwotypesassimple-typecatenarysystemsandthestitchedchainsuspension.Next,weestablishedthemodeloffiniteelementof3-panoverlaps4-spanoverlapsand5-spanoverlaps.Focusonthe3-spanoverlaps,wecouldgettheelasticityandthedegreeofnonuniformity[%]inthetransitioncross-spanbychangingtheparametersdesignedofoverheadcontactsystemsuchasthelengthofspanthelayoutdensityofdroppercatenarywiretensileforcecontactwiretensileforcethelengthofthestitchwireandtheraisingamountofcontactwireatthechangedcolumn.Throughtheresearchofthecalculationoftheelasticityoftheoverlaps,makinguseoftheconclusionacquired,papercouldprovidesometheorysupporttotheoptimizationdesigntotheoverlaps,andcouldlettheelasticityandthedegreeofnonuniformity[%]oftheoverlapssatisfytherequirementofthequalityofrebuildingofexistingelectric-railwayinChina,throughchangingtheparameterssuchasthelengthofspanthelayoutdensityofdroppercatenarywiretensileforcecontactwiretensileforcethelengthofthestitchwireandtheraisingamountofcontactwireatthechangedcolumnandsoon,anddevotetothedevelopmentofhighspeedlinesinChina.Keywords:OCS;Overlaps;FEM;Elasticity;Staticupliftingamount目錄第1章 緒論 11.1 引言 11.2 研究目的和意義 11.3 國(guó)內(nèi)外研究的狀況 21.4 本論文的研究?jī)?nèi)容和方法 3第2章有限元理論和APDL介紹 42.1有限元理論 42.2Ansys軟件介紹 52.2.1主要功能 62.2.2主要特點(diǎn) 62.2.3單元的選用 72.3 APDL簡(jiǎn)介 11第3章接觸網(wǎng)模型建立與找形算列分析 123.1本文所研究接觸網(wǎng)的界定 123.1.1單元的選用 123.1.2線夾和定位懸掛裝置的處理 133.2 接觸網(wǎng)模型的建立 133.2.1輸入?yún)?shù) 133.2.2約束、載荷的施加 133.2.3找形 133.3 接觸網(wǎng)靜態(tài)找形算例 153.3.1 單跨簡(jiǎn)單鏈形懸掛的找形 153.3.2 三跨彈性鏈形懸掛的找形 183.3.3武廣鄭西線吊弦長(zhǎng)度的求解 20第4章 接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性分析 224.1相關(guān)概念 224.2 簡(jiǎn)單鏈形懸掛的靜態(tài)彈性分析 234.3彈性鏈形懸掛的靜態(tài)彈性分析 264.4 在定位點(diǎn)與承力索座添加彈簧單元后的彈性對(duì)比 294.5 接觸網(wǎng)的彈性及提高彈性的措施 32第5章錨段關(guān)節(jié)模型建立和彈性研究 345.1錨段關(guān)節(jié) 345.1.1錨段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的基本要求 345.1.2Re200C錨段關(guān)節(jié)的一般要求 355.1.3Re200C三跨錨段關(guān)節(jié) 355.1.4Re200C四跨錨段關(guān)節(jié) 365.1.5Re200C五跨錨段關(guān)節(jié) 375.2不等高懸掛的彈性研究 385.3三跨錨段關(guān)節(jié)的有限元模型和彈性研究 395.3.1 轉(zhuǎn)換柱處非支抬高量對(duì)過(guò)度跨的彈性影響 425.3.2 跨距和吊弦間距對(duì)過(guò)渡跨彈性的影響 435.3.3 接觸線張力和承力索張力對(duì)過(guò)渡跨彈性的影響 455.3.4彈性吊索長(zhǎng)度對(duì)過(guò)度跨彈性的影響 475.4四跨錨段關(guān)節(jié)有限元模型和彈性分析 485.5五跨錨段關(guān)節(jié)有限元模型和彈性分析 505.5.1非支不同抬高量的彈性比較 515.5.2武廣鄭西線錨段關(guān)節(jié)彈性比較 53結(jié)論 54致謝 56參考文獻(xiàn) 57緒論引言錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨的彈性分析是在接觸懸掛彈性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，掌握好接觸懸掛的彈性分析很重要。接觸懸掛的彈性是表示接觸懸掛結(jié)構(gòu)性能好壞的重要標(biāo)志之一，由于受電弓的抬升力為一定值，所以當(dāng)接觸懸掛的彈性不同時(shí)，接觸線的抬升量就有所不同。當(dāng)電力機(jī)車在區(qū)段內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其受電弓將在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，當(dāng)車速較高時(shí)由于受電弓的上下波動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力將顯著增加，其對(duì)弓網(wǎng)間的接觸壓力將產(chǎn)生很大影響，極易造成接觸線過(guò)度磨損和離線拉弧現(xiàn)象，特別是在接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的過(guò)渡處，尤其嚴(yán)重；而抬升量與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性關(guān)系密切。因此研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量有重要意義。從另一角度看，接觸網(wǎng)靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算，包括吊弦長(zhǎng)度的計(jì)算和腕臂的計(jì)算，是確定接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性的前提條件。在接觸網(wǎng)靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)計(jì)算出來(lái)之后可以得出接觸線在靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)的位移，接下來(lái)又在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中施加一個(gè)靜態(tài)抬升力，算出在該力作用下接觸線新的位移，通過(guò)兩個(gè)位移值可以得出靜態(tài)抬升量，進(jìn)而可以計(jì)算出接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性。所謂接觸網(wǎng)懸掛彈性，是指接觸懸掛在受電弓抬升力的作用下所具有的升高性能。衡量彈性的標(biāo)準(zhǔn)，一是彈性的大小，二是彈性的均勻程度。為適應(yīng)列車提速的要求，牽引供電系統(tǒng)尤其是接觸網(wǎng)方面必須通過(guò)優(yōu)化接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，改善懸掛彈性來(lái)滿足電力機(jī)車受電弓高速運(yùn)行時(shí)的取流和穩(wěn)定性。彈性比較均勻是接觸網(wǎng)適應(yīng)高速行車所追求的目標(biāo)。研究目的和意義接觸網(wǎng)的一個(gè)基本劃分就是錨段,而順線路方向接觸網(wǎng)相鄰錨段之間是通過(guò)錨段關(guān)節(jié)銜接的。錨段關(guān)節(jié)的作用就是使受電弓平滑的從一錨段過(guò)渡到另一錨段。接觸網(wǎng)的彈性是表征接觸懸掛結(jié)構(gòu)性能好壞的重要標(biāo)志之一。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于受電弓的抬升力，當(dāng)接觸懸掛的彈性不均勻時(shí)，接觸線的抬升量就有所不同，從而導(dǎo)致高速運(yùn)行區(qū)段，受電弓將在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，產(chǎn)生較大的慣性力，如此則對(duì)接觸壓力產(chǎn)生較大的影響，極易造成接觸線的過(guò)度磨耗和離線拉弧現(xiàn)象，影響受流質(zhì)量。這種現(xiàn)象在錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡處，顯的尤為嚴(yán)重。接觸網(wǎng)均勻的彈性是列車高速運(yùn)行的重要保證，因此有必要對(duì)接觸網(wǎng)的彈性尤其是錨段關(guān)節(jié)處的彈性設(shè)置進(jìn)行仿真分析，確定合理的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，提高受流質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外研究的狀況本文重點(diǎn)在于分析接觸網(wǎng)的彈性，其次在于分析接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。接觸網(wǎng)靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算，包括吊弦長(zhǎng)度的計(jì)算和腕臂的計(jì)算，是確定接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性的前提條件。接觸網(wǎng)的吊弦長(zhǎng)度是保證接觸懸掛安裝精度的基礎(chǔ)，而吊弦的長(zhǎng)度計(jì)算是一項(xiàng)繁重且十分精細(xì)的工作，我國(guó)傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)的計(jì)算方法如文獻(xiàn)[20]，多為假設(shè)接觸性自重負(fù)載通過(guò)吊弦均勻分布于承力索之上，且沿跨距負(fù)載均勻分布，再根據(jù)力的平衡原理建立關(guān)于吊弦長(zhǎng)度的計(jì)算方程，然后再考慮各種實(shí)際情況如張力差、補(bǔ)償器傳動(dòng)誤差、吊弦布置位置誤差、工程經(jīng)驗(yàn)等加以修正，該方法精度較低，僅宜應(yīng)用于低速鐵路的計(jì)算，可以說(shuō)由于歷史和實(shí)現(xiàn)的原因，接觸網(wǎng)的吊弦計(jì)算多停留在經(jīng)驗(yàn)公式加現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的方法。有限元法[3][4]是結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的有利工具，但在懸掛結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)用較少，文獻(xiàn)[21]介紹了離散索系的變分原理和單維直線索段的有限元模型，文獻(xiàn)[8]用有限元計(jì)算懸掛吊弦的長(zhǎng)度，計(jì)算接觸懸掛的初始狀態(tài)、抬升量和彈性系數(shù)，并計(jì)算接觸懸掛的頻率和振型。隨著計(jì)算及技術(shù)的應(yīng)用，使用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算將變得很容易。我國(guó)既有電氣化鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)廣泛采用3跨、4跨布置形式。由于3跨絕緣關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱間接觸線坡度在7‰以上，遠(yuǎn)大3‰的標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)的電氣化鐵路提速改造和新建電氣化鐵路中，又推廣采用4跨或5跨錨段關(guān)節(jié)。運(yùn)行速度為160km/h接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果表明，我國(guó)既有線為經(jīng)改造的3跨絕緣錨段關(guān)節(jié)處較多出現(xiàn)了弓網(wǎng)間接觸壓力超標(biāo)的現(xiàn)象，不利于弓網(wǎng)運(yùn)行安全。由于錨段關(guān)節(jié)由3跨改為4跨或5跨必然造成投資的增加，因此，探討我國(guó)電氣化鐵路提速到200km/h，如何選用錨段關(guān)節(jié)非常有現(xiàn)實(shí)意義。哈大線[17]設(shè)計(jì)運(yùn)用速度200km/h的電氣化鐵路成功引進(jìn)了德國(guó)Re200c接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，我們可以此為參照，優(yōu)化我國(guó)接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)。德國(guó)在50年代大規(guī)模修建電氣化鐵路的同時(shí)，開(kāi)始了接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作，由西門子、AEG和BBC公司聯(lián)合先后共同開(kāi)發(fā)了Re75、Rel00、Rel60、Re200。70年代中期，在總結(jié)前四種標(biāo)準(zhǔn)懸掛的基礎(chǔ)上，研制了Re250標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)。并在80年代末期修建了曼海姆到斯圖加特的高速鐵路，最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到250km/h，采用的是彈性鏈形懸掛，接觸線為銀銅120mm2，張力為15kN。本論文的研究?jī)?nèi)容和方法接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨的彈性受到各設(shè)計(jì)參數(shù)的影響和制約，與懸掛類型、跨距、接觸線張力、線材及下錨支在轉(zhuǎn)換柱的抬升量等都有密切關(guān)系，并且它有沿跨距周期變化的規(guī)律。當(dāng)接觸網(wǎng)彈性不均勻系數(shù)很大的時(shí)候，會(huì)使弓網(wǎng)振動(dòng)加劇，接觸線動(dòng)態(tài)抬升加大，在定位點(diǎn)處有可能引起弓網(wǎng)事故，特別是在錨段關(guān)節(jié)處。本論文的主要內(nèi)容就是在建立錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨有限元模型的基礎(chǔ)上計(jì)算接觸網(wǎng)彈性的變化情況，研究接觸網(wǎng)的一系列設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)彈性的影響，為今后錨段關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)布置提供理論支持。本論文主要采用有限元理論，建立起接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的有限元模型。先利用結(jié)構(gòu)分析Ansys軟件算出接觸網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，再對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)各吊弦在接觸線上的點(diǎn)(或跨中)施加一個(gè)靜態(tài)抬升力，通過(guò)該結(jié)構(gòu)軟件算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的抬升量，從而可以得出接觸線上每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)處的彈性，進(jìn)而分析整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性不均勻度。并且通過(guò)改變接觸網(wǎng)系統(tǒng)的跨距、吊弦間距、接觸線張力、承力索張、下錨支的抬升量以及彈性吊索的長(zhǎng)度的方法，全方位地分析這些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡的彈性影響。最后本文根據(jù)過(guò)渡跨彈性的研究為錨段關(guān)節(jié)的布置做了些探討。第2章有限元理論和APDL介紹接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)是由接觸線、承力索、吊弦、彈性吊索以及附加導(dǎo)線組成的柔性懸掛系統(tǒng)，它的主要組成部分是索，索的力學(xué)模型是只承受拉力不承受壓力，而力學(xué)上的二力桿是兩端均能承受拉力又能承受壓力的元件，二者均可以用有限元理論的桿單元來(lái)模擬，只是在設(shè)置拉壓力這一項(xiàng)上有所區(qū)別。接觸網(wǎng)系統(tǒng)從總體來(lái)看是柔性懸掛系統(tǒng)，但從局部的不同接觸網(wǎng)組件來(lái)看，是要考慮其結(jié)構(gòu)的剛度。此時(shí)從力學(xué)模型上來(lái)看就是要把相應(yīng)的接觸網(wǎng)組件用梁來(lái)模擬，考慮梁的剪力和彎矩作用。本章先介紹有限元理論、Ansys軟件及用于模擬接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的桿單元和梁?jiǎn)卧賹?duì)APDL簡(jiǎn)單介紹。2.1有限元理論有限元法的基本思想[3]，是在力學(xué)模型上將一個(gè)原來(lái)連續(xù)的物體離散成為有限個(gè)具有一定大小的單元，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連，并在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效力以替代實(shí)際作用于單元的外力。對(duì)于每個(gè)單元，根據(jù)分塊近似的思想，選擇一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，并按彈性理論中的能量原理（或用變分原理）建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后把所有單元的這種關(guān)系式集合起來(lái)，就得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程，解這些方程就可以求出物體上的有限個(gè)離散點(diǎn)上的位移。有限元方法與其他求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：第一步：?jiǎn)栴}及求解域定義：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小（網(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個(gè)具體的物理問(wèn)題通?？梢杂靡唤M包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。第四步：?jiǎn)卧茖?dǎo)：對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。2.2Ansys軟件介紹ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。軟件主要包個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力析、電磁場(chǎng)分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用有優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。2.2.1主要功能ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。主要功能具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分25第三章接觸網(wǎng)靜態(tài)找形有限元計(jì)算模型和技術(shù)原理設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言擴(kuò)展宏功能。2.2.2主要特點(diǎn)ANSYS具有強(qiáng)大的有限元分析能力和友好的前后處理功能，用戶可以GUI方式完成幾何模型建立、網(wǎng)絡(luò)劃分和約束施加過(guò)程擁有多種功能強(qiáng)大的器，可以對(duì)非線性問(wèn)題和動(dòng)力問(wèn)題較好地進(jìn)行分析ANSYS支持子結(jié)構(gòu)、子模單元生死等高級(jí)分析技術(shù)，并且可以模擬點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與面、面與面之間的接題，為工程問(wèn)題的研究提供了有力的工具。主要技術(shù)特點(diǎn)：唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件強(qiáng)大的非線性分析功能多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)本論文就是應(yīng)用Ansys強(qiáng)大的非線性求解分析能力來(lái)做接觸網(wǎng)的彈性分析。2.2.3單元的選用建立接觸網(wǎng)的有限元模型，一般將承力索和接觸線簡(jiǎn)化為具有軸向拉力、自重和一定抗彎剛度的梁?jiǎn)卧?，吊弦考慮為桿單元。在ANSYS中，用BEAM3來(lái)模擬二維梁?jiǎn)卧?，用link10來(lái)模擬桿單元。在本論文中，接觸線和承力索都用link10單元，定位點(diǎn)用彈簧單元combin14來(lái)模擬，線夾可用mass21質(zhì)量單元模擬。(1)Beam3：二維彈性梁Beam3單元是一種可承受拉、壓、彎作用的單軸單元。單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即沿x,y方向的線位移及繞Z軸的角位移。其幾何模型如下：圖2-1Beam3單元的幾何模型上圖給出了單元的幾何圖形、節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)系統(tǒng)。單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、橫截面面積、橫截面慣性矩、截面高度及材料屬性定義。初始應(yīng)變通過(guò)Δ/L給定，Δ為單元長(zhǎng)度L（由I，J節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)算得）與0應(yīng)變單元長(zhǎng)度之差。可在本單元的表面施加面荷載，橫向均布?jí)毫Φ膯挝粸榱γ繂挝婚L(zhǎng)度，端點(diǎn)作用的壓力應(yīng)以集中力的形式輸入。假定與限制：梁?jiǎn)卧仨毼挥赬-Y平面內(nèi)，長(zhǎng)度及面積不可為0；對(duì)任何形狀截面的梁等效高度必須先行決定，因?yàn)閺澢鷳?yīng)力的計(jì)算為中性軸至最外邊的距離為高度的一半；單元高度僅用于彎曲及熱應(yīng)力的計(jì)算；作用的溫度梯度假定為沿長(zhǎng)度方向線性通過(guò)等效高度；若不使用大變形時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可為0。(2)LINK10：三維僅受拉或僅受壓桿單元LINK10單元獨(dú)一無(wú)二的雙線性剛度矩陣特性使其成為一個(gè)軸向僅受拉或僅受壓桿單元。使用只受拉選項(xiàng)時(shí)，如果單元受壓，剛度就消失，以此來(lái)模擬纜索的松弛或鏈條的松弛。這一特性對(duì)于將整個(gè)鋼纜用一個(gè)單元來(lái)模擬的鋼纜靜力問(wèn)題非常有用。當(dāng)需要松弛單元的性能，而不是關(guān)心松弛單元的運(yùn)動(dòng)時(shí)，它也可用于動(dòng)力分析（帶有慣性或阻尼效應(yīng)）。LINK10單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)，不管是僅受拉（纜）選項(xiàng)，還是僅受壓（裂口）選項(xiàng)，本單元都不包括彎曲剛度。本單元具有應(yīng)力剛化、大變形功能。圖2-2單元的幾何，節(jié)點(diǎn)位置以及坐標(biāo)系示意圖LINK10輸入?yún)?shù)：?jiǎn)卧Q：LINK10節(jié)點(diǎn)：

I，J自由度：UX,UY,UZ（X,Y,Z方向的平動(dòng)位移）實(shí)常數(shù)：

AREA（橫截面面積），ISTRN（初始應(yīng)變值，如果為負(fù)值則為每單位長(zhǎng)度間隙）如果ISTRN小于0并且KEYOPT(3)=0，則表面纜最初是松弛的。如果ISTRN大于0并且KEYOPT(3)=1，表面裂口最初是打開(kāi)的材料特性：

EX（彈模）,ALPX（熱膨脹系數(shù)）,DENS（密度）,DAMP（對(duì)于阻尼域的矩陣乘數(shù)K）面載荷：無(wú)體載荷：溫度--T(I)，T(J)特殊特性：非線性、應(yīng)力剛化、大變形、單元生死LINK10的假定和限制：?jiǎn)卧拈L(zhǎng)度必須大于0，因此即節(jié)點(diǎn)I和J不能重合。面積必須大于0。假定溫度沿桿長(zhǎng)線性變化。如果ISTRN等于0.0，那么單元的剛度包括在第一個(gè)子步內(nèi)。對(duì)于裂口選項(xiàng)（僅受壓時(shí)），節(jié)點(diǎn)J相對(duì)于節(jié)點(diǎn)I的正值軸向位移（在單元坐標(biāo)系中）往往表示打開(kāi)了裂口。單元是非線性并且需要一個(gè)迭代解。(3)COMBIN14：彈簧-阻尼器Spring-Damper在一維、二維或三維應(yīng)用上具有縱向或扭轉(zhuǎn)功能?？v向彈簧－阻尼選項(xiàng)是一個(gè)單軸拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：X，Y，Z方向的移動(dòng)自由度。不具備彎曲或扭轉(zhuǎn)功能。扭轉(zhuǎn)彈簧－阻尼選項(xiàng)是單純的旋轉(zhuǎn)單元，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：關(guān)于X，Y和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。其幾何模型如下圖：圖2-3COMBIN14單元的幾何模型其中：Cv為阻尼，k為等效彈簧的剛度。彈簧－阻尼單元沒(méi)有質(zhì)量。質(zhì)量可以使用相應(yīng)的質(zhì)量單元來(lái)添加（MASS21單元）。這個(gè)單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)剛度常數(shù)和阻尼系數(shù)來(lái)定義。阻尼功能在靜態(tài)或非阻尼模態(tài)分析中用不到。縱向彈簧常數(shù)的單位是力/長(zhǎng)度，阻尼系數(shù)的單位是力×?xí)r間/長(zhǎng)度。扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)和阻尼系數(shù)的單位分別是力×長(zhǎng)度/弧度和力×長(zhǎng)度×?xí)r間/弧度。對(duì)于二維軸對(duì)稱分析，這些值應(yīng)基于整個(gè)360度范圍。假設(shè)與限制：縱向彈簧單元?jiǎng)偠戎辉陂L(zhǎng)度方向起作用。扭轉(zhuǎn)彈簧單元?jiǎng)偠认裨谂まD(zhuǎn)棒中一樣，只在長(zhǎng)度周圍起作用。一個(gè)彈簧單元中應(yīng)力處處相等。當(dāng)設(shè)K或Cv為零時(shí)，彈簧或阻尼性能可從單元中分別被移除。(4)MASS21

:結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)MASS21是一個(gè)點(diǎn)單元，有六個(gè)自由度：X,Y,Z方向的移動(dòng)自由度以及繞X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。每個(gè)坐標(biāo)方向均可施加不同的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)慣量。該單元通過(guò)定義其實(shí)常數(shù)（質(zhì)量）及材料特性（密度）來(lái)定義，支持大變形及生死單元分析。圖2-4MASS21單元的幾何模型假設(shè)與限制：在總體笛卡爾坐標(biāo)系Z為常數(shù)的坐標(biāo)面內(nèi)，成為二維單元。如果沒(méi)有加速度和旋轉(zhuǎn)，或不考慮慣性，則該質(zhì)量單元不影響靜態(tài)分析的結(jié)果。APDL簡(jiǎn)介ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)是一門可用來(lái)自動(dòng)完成有限元常規(guī)分析操作或通過(guò)參數(shù)化變量建立分析模型的腳本語(yǔ)言，用建立智能化分析的手段為用戶提供自動(dòng)完成有限元分析過(guò)程，即程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來(lái)做決定，是完成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格的最主要的基礎(chǔ)。APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶實(shí)際上對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)，如分析模型的尺寸、材料的性能、載荷、邊界條件施加的位置和網(wǎng)格的密度。APDL擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍，并擴(kuò)展了更高級(jí)運(yùn)算包括靈敏度研究、零件參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)優(yōu)化等。APDL具有下列功能，對(duì)這些功能用戶可根據(jù)需要進(jìn)行組合使用或單獨(dú)使用。這些功能有:標(biāo)量參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、表達(dá)式和函數(shù)、分支和循環(huán)、重復(fù)功能和縮寫、宏和用戶程序。所有這些全局控制特性，允許用戶按需要改變?cè)摮绦蛞詽M足特定的建模和分析需要。通過(guò)精心計(jì)劃，用戶能夠創(chuàng)建一個(gè)高度完善的分析方案，它能在特定的應(yīng)用范圍內(nèi)使程序發(fā)揮更大的效率。更大的效應(yīng)。本論文利用APDL編寫了一些不同設(shè)計(jì)參數(shù)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)有限元求解程序，對(duì)建立參數(shù)化的接觸網(wǎng)系統(tǒng)有限元模型提供了很方便的工具，加快了研究速度。第3章接觸網(wǎng)模型建立與找形算列分析本章將建立一般接觸懸掛的有限元模型，通過(guò)找形確定初始狀態(tài)，求出吊弦長(zhǎng)度。3.1本文所研究接觸網(wǎng)的界定架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括三方面的內(nèi)容，一是所有架空接觸網(wǎng)導(dǎo)線和線索，包括承力索、接觸線和回流線、接地線、防雷線、饋電線以及安裝在同一支持裝置上的加強(qiáng)線。二是基礎(chǔ)、支持結(jié)構(gòu)以及夾持、支撐、調(diào)整絕緣接觸線和導(dǎo)線的裝置。三是安裝在線路同一支持裝置上的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)、監(jiān)視和保護(hù)設(shè)備。本文擬從第一方面研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型，并僅限于常用的接觸懸掛的線索為主要研究對(duì)象。我國(guó)目前用得最多的接觸網(wǎng)懸掛方式主要是簡(jiǎn)單懸掛和鏈形懸掛兩種，其中鏈形懸掛又分為簡(jiǎn)單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛。這些懸掛方式都以不同的方式組合張拉受流用的接觸網(wǎng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其基本線索一般有接觸線、承力索、吊弦和彈性吊索。要研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型，就需要研究各個(gè)組件的單元選型問(wèn)題。3.1.1單元的選用接觸線和承力索：接觸線和承力索從整個(gè)錨段長(zhǎng)度來(lái)看，是長(zhǎng)細(xì)比很大的接觸網(wǎng)系統(tǒng)組件，在常用有限元分析軟件ANSYS中一般用桿件單元來(lái)模擬即LINK10。其目的就是為了簡(jiǎn)化接觸網(wǎng)這個(gè)多自由度系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)，而僅關(guān)心其上的軸力;也就是忽略了其上的抗彎作用，這從工程實(shí)踐中而言是很符合實(shí)際的。吊弦和彈性吊弦：吊弦和彈性吊索是接觸網(wǎng)系統(tǒng)中連接接觸線和承力索的重要組件。一般用桿單元來(lái)模擬?？紤]到吊弦和彈性吊索只能受拉力，不能受壓力，當(dāng)?shù)跸液蛷椥缘跛魇艿綌D壓時(shí)就會(huì)松弛，所以要把桿單元限定為只受拉而不能受壓的桿單元。3.1.2線夾和定位懸掛裝置的處理在建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)的有限元模型時(shí)為了研究問(wèn)題的簡(jiǎn)便性，一般把線夾處理為集中荷載組件，并視其為單個(gè)質(zhì)點(diǎn)（可以考慮用點(diǎn)單元MASS21），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)?在實(shí)際處理中我們先不考慮先夾質(zhì)量。而對(duì)于定位裝置的處理則就是接觸線和承力索的邊界條件處理的問(wèn)題，本論文是以兩端固定約束的方式處理的。如果建立多跨接觸網(wǎng)模型則需要考慮中間跨定位裝置的處理。這里可用單元Combin14來(lái)對(duì)定位點(diǎn)做限定。接觸網(wǎng)模型的建立3.2.1輸入?yún)?shù)考慮到接觸網(wǎng)系統(tǒng)的承力索、接觸線、吊弦及彈性吊索只能承受拉力而張緊，而在受壓時(shí)其剛度消失而松弛，所以用link10來(lái)模擬。link10單元通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、橫截面、初始應(yīng)變以及各項(xiàng)同性材料特性來(lái)定義。材料屬性數(shù)值包括彈性模量和泊松比以及材料的密度。單元的初始應(yīng)變ISTRN由求得，其中N為線索張力，E為線索彈性模量，S為線索橫截面積。3.2.2約束、載荷的施加由有限元理論知，以上輸入的參數(shù)只是定義了接觸網(wǎng)系統(tǒng)各索結(jié)構(gòu)構(gòu)方程對(duì)應(yīng)的剛度矩陣參數(shù)，要得到這些非線性方程的穩(wěn)定解必須引入邊界條件，在ANSYS定義的有限元模型中即為約束和載荷的施加。因?yàn)檎麄€(gè)承力索、接觸線、吊弦及彈性吊索在靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般視為在同一垂面上，在此忽略之字值布置的影響。因?yàn)榘褟埩癁榱顺跏紤?yīng)變值，所以可以用兩端固定約束的模型來(lái)模擬，而系統(tǒng)的載荷是由于材料的密度引起的重力。3.2.3找形由于接觸網(wǎng)屬于柔性懸掛結(jié)構(gòu)，具有計(jì)算非線性的特點(diǎn)，求得初始的位移狀態(tài)非常重要。故首先進(jìn)行接觸網(wǎng)的找形，考慮重力作用，使接觸網(wǎng)達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度和導(dǎo)高，同時(shí)利用吊弦兩端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算吊弦長(zhǎng)度。在對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行找形過(guò)程中，由于僅知道自重下接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)高度和接觸線的導(dǎo)高，故在建立接觸網(wǎng)模型的時(shí)候，接觸線和承力索的初始狀態(tài)設(shè)為直線，位置由結(jié)構(gòu)高度和導(dǎo)高決定找形過(guò)程：施加重力求其變形，將分析所得到的位移施加到有限元模型的節(jié)點(diǎn)上，更新有限元模型的幾何形狀。提取更新后接觸線上的坐標(biāo)，計(jì)算其與導(dǎo)高的差值，利用差值縮短吊弦長(zhǎng)度，抬高接觸線。循環(huán)前面過(guò)程，不斷抬升接觸線，直到自重下接觸線在規(guī)定的導(dǎo)高處，完成接觸網(wǎng)系統(tǒng)的找形。思路一[7]：利用生死單元，殺死接觸線上的單元，求承力索在自重下的形狀；激活接觸線上的單元，求整個(gè)接觸網(wǎng)在自重下的形狀；提取接觸線的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，求出其與最終要求懸掛高度的差值，利用該差值縮短吊弦長(zhǎng)度；循環(huán)步驟c)，直到在自重和預(yù)應(yīng)力的作用下，接觸線基本水平，即最大的相差幾毫米。思路二：利用生死單元，殺死承力索上的單元，求接觸線在自重情況下的位移；提取在吊弦點(diǎn)處使接觸線產(chǎn)生相同位移的節(jié)點(diǎn)力，記錄下這些節(jié)點(diǎn)力。殺死接觸線上的單元，激活承力索單元，將上面求得節(jié)點(diǎn)力加到接觸線吊弦點(diǎn)出，然后求解，多次更新承力索的模型，直到承力索模型的位移很小。激活接觸線上的單元，再求解一次，這時(shí)，接觸線節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)該很小，接觸線基本水平。接觸網(wǎng)靜態(tài)找形算例接觸網(wǎng)靜態(tài)找形，說(shuō)穿了就是求各吊弦的長(zhǎng)度。我們先分析簡(jiǎn)單鏈型懸掛，然后計(jì)算彈性鏈形懸掛。單跨簡(jiǎn)單鏈形懸掛的找形按前述建模的方法，接觸線和承力索先水平布置[8]，然后讓Ansys軟件自動(dòng)找形。表3-1基本輸入?yún)?shù)資料接觸線承力索吊弦線性材料CTMH150JTMH120JTMH10截面積(mm)150116.999.62線材密度(kg/m)1.3501.0650.089彈性模量(Pa)1.21.21.2泊松比0.330.330.33線索張力(kN)27210.1初始應(yīng)力0.1490060.149585吊弦根數(shù)(根)7第一吊弦間距(m)5結(jié)構(gòu)高度(m)1.6跨距(m)65初始模型如下圖：圖3-1水平布置單跨簡(jiǎn)鏈模型在重力和初始應(yīng)力下找形后的最終圖形：圖3-2最后一次找形后的位移圖最后一次迭代的位移量：圖3-3最后一次找形后的位移量最終各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值：圖3-4最終各點(diǎn)坐標(biāo)值數(shù)據(jù)分析：由以上數(shù)據(jù)可以看出，接觸線最大位移發(fā)生在跨中節(jié)點(diǎn)5處，且越接近懸掛處，節(jié)點(diǎn)位移越小。各節(jié)點(diǎn)水平位移量很小，對(duì)整個(gè)懸掛模型沒(méi)有太大的影響。從最終坐標(biāo)值可以看出，接觸線向下的位移最大為0.64mm，已經(jīng)很小了，說(shuō)明接觸線基本水平；此時(shí)可用承力索的Y坐標(biāo)來(lái)近似代替吊弦長(zhǎng)度。所以求得的7根吊弦的長(zhǎng)度為：1.4279m、1.1869m、1.0422m、0.99403m、1.0423m、1.1869m、1.428m。各吊弦的長(zhǎng)度和利用馳度公式計(jì)算的長(zhǎng)度基本一致。各吊弦的長(zhǎng)度其實(shí)還可以由力學(xué)公式直接求得，這里不在累述。三跨彈性鏈形懸掛的找形整個(gè)建模分析過(guò)程和單跨簡(jiǎn)鏈一樣，這里只是多了彈性吊索。在建模時(shí)，彈性吊索也是水平布置的，Ansys自動(dòng)找形。除了給定兩端點(diǎn)UX,UY的約束，在中間支柱還要給定UY方向的約束。表3-2基本輸入?yún)?shù)資料接觸線承力索吊弦彈性吊弦線性材料CTMH150JTMH120JTMH10JTMH35截面積(mm)150116.999.6235線材密度(kg/m)1.3501.0650.0890.310彈性模量(Pa)1.21.21.21.2泊松比0.330.330.330.33線索張力(kN)2721--3.5初始應(yīng)力0.1490060.1495850.10.84885吊弦根數(shù)(根)7第一吊弦間距(m)5結(jié)構(gòu)高度(m)1.6跨距(m)65彈性吊弦長(zhǎng)度（m）18圖3-5Y方向放大的三跨彈鏈?zhǔn)疽鈭D圖3-6找形結(jié)果圖圖3-7彈性吊索局部放大圖分析：從上圖可以看出，找形結(jié)束后定位點(diǎn)9的位移仍然有-6.922mm，但位移已經(jīng)很小了，如果要再精確些，可以把求解精度控制再次縮小即可。在這里，認(rèn)為找形后模型基本平衡了，即接觸線自重情況下基本水平。同樣可以得到吊弦的長(zhǎng)度如下表：表3-3三跨彈性鏈形懸掛各吊弦長(zhǎng)度(m)1234567跨11.4241.17441.01960.959650.994431.2391.0384跨21.03191.10480.962810.915490.962821.10481.0319跨31.03841.2390.994410.959651.01971.17451.4241其中彈性吊索的長(zhǎng)度依次為：1.0384、1.0319、1.0319、1.0384。與應(yīng)用馳度公式計(jì)算的結(jié)果基本一致。3.3.3武廣鄭西線吊弦長(zhǎng)度的求解根據(jù)所給資料，結(jié)合參數(shù)化的有限元三跨彈鏈接觸網(wǎng)模型很容易計(jì)算出武廣、鄭西線一般跨內(nèi)各吊弦的長(zhǎng)度。表3-4武廣接觸懸掛基本參數(shù)接觸線承力索吊弦彈性吊弦線性材料CTMH150JTMH120BzII10BzII35截面積(mm)150116.999.6235線材密度(kg/m)1.3501.0650.0890.310線索張力(kN)3021--3.5吊弦根數(shù)(根)6第一吊弦間距(m)4結(jié)構(gòu)高度(m)1.50跨距(m)50彈性吊弦長(zhǎng)度（m）14表3-5鄭西接觸懸掛基本參數(shù)接觸線承力索吊弦彈性吊弦線性材料CTMH150JTMH120BzII10BzII35截面積(mm)150116.999.6235線材密度(kg/m)1.3501.0650.0890.310線索張力(kN)28.523--3.5吊弦根數(shù)(根)6第一吊弦間距(m)7結(jié)構(gòu)高度(m)1.6跨距(m)50彈性吊弦長(zhǎng)度（m）22表3-6武廣三跨彈鏈吊弦長(zhǎng)度(m)123456跨11.39341.22711.13881.12861.19651.1587跨21.15401.18161.10351.10351.18161.1540跨31.15871.19651.12861.13881.22711.3934表3-7鄭西三跨彈鏈吊弦長(zhǎng)度(m)123456跨11.43451.31641.25111.23881.27931.0883跨21.07731.25561.20281.20281.25561.0773跨31.08831.27931.23881.25111.31641.4345吊弦長(zhǎng)度的計(jì)算是與線路的布置有關(guān)的，此處只考慮等高等跨距的情況，且不考慮拉出值。其實(shí)對(duì)于不等高不等跨距的吊弦計(jì)算，利用功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS來(lái)計(jì)算也是可行的；吊弦的計(jì)算是建立在可以改變跨距和吊弦間距及線索不同張力的參數(shù)化有限元模型上的，所以進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)吊弦長(zhǎng)度的求解就可以確定接觸網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性計(jì)算提供強(qiáng)大的計(jì)算仿真工具。接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性分析在前面找形的基礎(chǔ)上，這一章我們將對(duì)接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性做一個(gè)分析。接觸懸掛的彈性是其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要標(biāo)志。接觸懸掛的靜態(tài)彈性是指懸掛中某一點(diǎn)在受電弓的壓力下，每單位垂直力使接觸線升高的程度，靜態(tài)的特性的一個(gè)重要的組成部分。衡量接觸懸掛彈性的標(biāo)準(zhǔn)有二：一是彈性的大小，取決于接觸線的張力；二是彈性的均勻程度，它取決于接觸懸掛的結(jié)構(gòu)。接觸網(wǎng)的彈性不均勻系數(shù)是評(píng)價(jià)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，因此對(duì)接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性進(jìn)行計(jì)算是非常有意義的。4.1相關(guān)概念接觸網(wǎng)在某點(diǎn)X=X的靜態(tài)剛度K(X)是該點(diǎn)處垂直作用一單位力所引起位移的倒數(shù)，其計(jì)算公式為：K(x)=令E(x)==我們把E(x)稱該點(diǎn)處垂直作用一單位力所引起的位移稱為靜態(tài)彈性。描繪接觸網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)在單位力單獨(dú)作用下產(chǎn)生的位移圖稱為接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性曲線。彈性不均勻度由以下公式計(jì)算：其中，，分別為表示跨距中的最大彈性和最小彈性。彈性不均勻度越小，表明懸掛彈性越平和。簡(jiǎn)單鏈形懸掛的靜態(tài)彈性分析建立三跨簡(jiǎn)單鏈形懸掛模型，具體模型建立參照3.3，參數(shù)按照表3-1；初始模型如下：圖4-1三跨簡(jiǎn)鏈初始模型找形后結(jié)果：圖4-2三跨簡(jiǎn)鏈找形后示意圖表4-1三跨簡(jiǎn)鏈各吊弦長(zhǎng)度(m)吊弦根數(shù)1234567跨11.42661.18351.03710.987481.03471.17881.4196跨21.41891.17691.03170.983281.03171.17691.4190跨31.41961.17871.03470.987481.03711.18351.4267由表可以看出：每一跨吊弦長(zhǎng)度由靠近支座處向跨中方向依次減少；首末兩跨的吊弦長(zhǎng)度略大于中間各跨相對(duì)應(yīng)的吊弦長(zhǎng)度；圖4-3節(jié)點(diǎn)位移矢量圖由圖可以看出，每一跨跨中節(jié)點(diǎn)位移變形最大，去除接觸線上定位點(diǎn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)位移變形最大值為中間跨中間節(jié)點(diǎn)，靠近支柱處節(jié)點(diǎn)位移較小，說(shuō)明靠近支柱處剛度明顯大于跨中處，這就造成受電弓在通過(guò)支柱時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，對(duì)受流十分不利。表4-2節(jié)點(diǎn)一次施加F=100N的抬升力的各節(jié)點(diǎn)的抬升量(mm)和彈性(mm/N)1234567跨1抬升量9.522.74430.82033.96932.30525.80314.329彈性0.0950.2270.30820.33970.3230.2580.143跨2抬升量14.36526.01132.87635.14132.87526.00914.362彈性0.143650.26010.328760.35140.328750.26010.1436跨3抬升量14.33225.80532.30533.96930.81822.7429.5045彈性0.14330.258050.323050.33970.30820.227420.09504由表可以看出，中間跨跨中節(jié)點(diǎn)彈性最大，靠近支柱彈性減??；吊弦1和7出的彈性很小是因?yàn)閮啥它c(diǎn)處都固定了，所以那兩點(diǎn)的剛度更大些。由此得到中跨的彈性不均勻度為：根據(jù)表4-2可得靜態(tài)彈性曲線圖4-4簡(jiǎn)鏈靜態(tài)彈性曲線4.3彈性鏈形懸掛的靜態(tài)彈性分析初始模型和簡(jiǎn)鏈一樣，只是彈性吊索也水平布置；初始模型見(jiàn)下圖：圖4-5彈鏈初始模型找形后中間跨模型：圖4-6找形后中間跨模型最后一次找形矢量圖：圖4-7最后一次找形位移矢量圖表4-3三跨彈鏈各吊弦長(zhǎng)度(m)1234567跨11.4241.17441.01960.959650.994431.2391.0384跨21.03191.10480.962810.915490.962821.10481.0319跨31.03841.2390.994410.959651.01971.17451.4241其中第一跨第7根，第二跨首末兩根，第三跨第1根一共4根吊弦為懸掛在彈性吊索上的吊弦，長(zhǎng)度分別為1.0384、1.0319、1.0319、1.0384m。由表可以得出以下結(jié)論：第一跨中間4號(hào)吊弦長(zhǎng)度較小，由靠近支座處向跨中方向依次減少，但與彈性吊索相連接的7號(hào)吊弦長(zhǎng)度要小于6號(hào)吊弦長(zhǎng)度。其原因是連接彈性吊索剛度會(huì)比跨中小，因而接觸線產(chǎn)生較大位移。中間跨的4號(hào)吊弦也較兩端2，6號(hào)吊弦長(zhǎng)度小，但2、6號(hào)大于與彈性吊索相連的1、7號(hào)吊弦。由于結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，相對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸對(duì)稱的節(jié)點(diǎn)位移值相同，因而首末兩跨相對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸距離相同的吊弦長(zhǎng)度相等。彈鏈接觸網(wǎng)的彈性吊索固定在懸掛點(diǎn)兩側(cè)的承力索上，在彈性吊索上固定有兩根彈性吊弦來(lái)懸掛接觸線。由于彈性吊索本身帶有一定的張力，接觸線、承力索及彈性吊索組成了一個(gè)平面匯交力系，使得彈鏈接觸網(wǎng)吊弦長(zhǎng)度不僅與本跨的接觸網(wǎng)參數(shù)（結(jié)構(gòu)高度，跨距長(zhǎng)度，吊弦懸掛位置）有關(guān)，而且還與相鄰跨的接觸網(wǎng)參數(shù)有關(guān)。因此，彈鏈接觸網(wǎng)吊弦長(zhǎng)度需按整個(gè)錨段來(lái)進(jìn)行計(jì)算更為準(zhǔn)確。表4-4各吊弦點(diǎn)加F=100N的抬升力后的抬升量(mm)和彈性(mm/N)1234567跨1抬升量8.99621.70529.77933.47832.96128.26934.303彈性0.089960.217050.297790.334780.329610.282690.34303跨2抬升量34.40328.65934.10735.90134.10628.65734.403彈性0.344030.286590.341070.359010.341060.286570.34403跨2抬升量34.30428.2732.96133.47829.70221.7028.9963彈性0.343040.28270.329610.334780.297020.217020.0899其中，兩定位點(diǎn)的抬升量依次為：36.919、36.92由于定位點(diǎn)沒(méi)加約束，所以整個(gè)懸索，限位點(diǎn)處彈性最大。由表可以看出，最大位移處是中間跨的跨中，而最小位移處是末跨靠近支柱處，原因是靠近支柱處剛度明顯比跨中大的得多。當(dāng)結(jié)構(gòu)為很多跨時(shí)，非首末兩跨由于每跨兩端設(shè)置彈性吊弦懸掛，使得跨與跨連接處剛度和跨中相差不多，這說(shuō)明彈性吊索改善了支柱附近的彈性，讓受電弓此處受的壓力減小。由于首末兩跨支柱節(jié)點(diǎn)處近似于簡(jiǎn)單鏈型懸掛，所以如果若忽略對(duì)該接觸網(wǎng)的彈性不均勻系數(shù)的影響，合理的計(jì)算結(jié)果是取中間跨計(jì)算：可以看出彈性不均勻系數(shù)和簡(jiǎn)鏈相比大幅減小。圖4-8彈鏈靜態(tài)曲線圖顯然中間跨曲線曲率小于兩邊跨，對(duì)受電弓取流有利。但仍然不符合實(shí)際情況。以下做討論。在定位點(diǎn)與承力索座添加彈簧單元后的彈性對(duì)比從上面的彈性靜態(tài)曲線可以看出，在定位點(diǎn)處并不符合實(shí)際情況，下面我們將定位點(diǎn)與承力索座加上一彈簧單元Combin14來(lái)對(duì)定位點(diǎn)做一個(gè)限制，在APDL中再加入如下語(yǔ)句：ET,2,COMBIN14,,2R,5,3000；彈簧單元Combin14的是常數(shù)取3000，假如受電弓給定位點(diǎn)的最大抬力Fm=280N，允許的最大抬升量為91.98mm，得出常數(shù)數(shù)為280/0.0918=3048N/m，所以實(shí)常數(shù)取3000。加上限位彈簧后的找形最終圖如下：圖4-9簡(jiǎn)鏈定位點(diǎn)限制后找形圖圖4-10彈鏈定位點(diǎn)限制后找形圖表4-5簡(jiǎn)單鏈形懸掛定位點(diǎn)加限制后的各點(diǎn)彈性1234567跨1抬升量(mm)9.501522.67730.62033.55131.56524.62412.562彈性(mm/N)0.0950150.22670.30620.33550.31560.24620.1256跨2抬升量(mm)12.58124.74531.91334.27931.91224.74312.578彈性(mm/N)0.12580.24740.31910.34270.31910.24740.1258跨2抬升量(mm)12.56524.62631.56633.55130.61922.6759.498彈性(mm/N)0.12560.24630.31560.33550.30620.22670.950其中兩定位點(diǎn)的抬升量分別為：11.961、11.961表4-6彈性鏈形懸掛定位點(diǎn)加限制后的各點(diǎn)彈性1234567跨1抬升量(mm)9.381522.4830.52833.74332.2325.92624.542彈性(mm/N)0.09380.22480.30530.33740.32230.25930.2454跨2抬升量(mm)24.54226.34633.15035.38433.14926.34424.539彈性(mm/N)0.24540.26350.33150.35380.33150.26340.2454跨2抬升量(mm)24.41925.92832.23133.74330.52722.4789.3781彈性(mm/N)0.24420.25830.32230.33740.30530.22480.0938其中兩定位點(diǎn)處的抬升量分別為18.186、18.186簡(jiǎn)鏈靜態(tài)彈性曲線簡(jiǎn)鏈靜態(tài)彈性曲線00.050.10.150.20.250.30.350.4050100150200吊弦點(diǎn)坐標(biāo)（m）彈性值（mm/N）系列1a）b）圖4-11簡(jiǎn)鏈a）、彈鏈b）靜態(tài)彈性曲線對(duì)比由上圖比較可知，彈性鏈形懸掛對(duì)支柱附近彈性的改善很明顯。而且更接近實(shí)際情況。接觸網(wǎng)的彈性及提高彈性的措施彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)的不均勻系數(shù)明顯小于簡(jiǎn)單鏈形懸掛接觸網(wǎng)的不均勻系數(shù)，也就是說(shuō)彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性特性比較均勻，更有利于電力機(jī)車受電弓的受流。同時(shí)由于簡(jiǎn)單鏈形懸掛接觸網(wǎng)的不均勻系數(shù)要比簡(jiǎn)單鏈形懸掛接觸網(wǎng)的不均勻系數(shù)大得多，而且在兩端支柱處接觸網(wǎng)的剛度劇增，這就造成受電弓在通過(guò)支柱時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊力，受流的質(zhì)量受到一定影響。由于彈鏈懸掛剛度較簡(jiǎn)單鏈型懸掛小，因此受相同力的作用下抬升量又較大，因而靜態(tài)彈性較大，這樣比較容易滿足更高時(shí)速運(yùn)行機(jī)車的受電弓對(duì)接觸線提出的擁有較好的靜態(tài)彈性和均勻性的要求。為了使接觸懸掛具有良好的彈性，以使受電弓高質(zhì)量地取流，從而提高電力機(jī)車的運(yùn)行速度，就必須對(duì)與懸掛彈性有關(guān)的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和改革。改善接觸懸掛彈性及取流的條件有二：盡量使受電弓對(duì)接觸線的壓力不隨受電弓的起伏波動(dòng)而變化，這就需要從受電弓結(jié)構(gòu)方面研究改進(jìn)；是使受電弓沿接觸線滑行時(shí)接觸點(diǎn)的軌跡，盡可能地近于水平直線。如果要達(dá)到上述后一種條件的要求，就要盡量地減小接觸線的馳度，改善接觸懸掛的彈性性能，重點(diǎn)應(yīng)在于提高定位點(diǎn)、分段分相、絕緣器、線岔等處的彈性，同時(shí)盡量使全線接觸懸掛的彈性均勻一致。有條件的話可以采用雙鏈形接觸懸掛和其它復(fù)合鏈形懸掛(即具有彈性裝置吊線的多鏈形懸掛)。改善張力自動(dòng)補(bǔ)償裝置，研制新型補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)以保證懸掛中線索的恒定張力；減輕接觸懸掛(特別是接觸線上)的集中重量，采用輕型零件；研制新型高強(qiáng)度的接觸線以提高接觸線和輔助繩索的張力等都是改善接觸懸掛彈性的重要措施和手段。第5章錨段關(guān)節(jié)模型建立和彈性研究前幾章主要在研究如何找形接觸網(wǎng)懸掛的初始形狀和彈性分布規(guī)律，因?yàn)樵谝院蟮膹椥匝芯恐?，確定初始形狀仍然是基礎(chǔ)。在這一章中，我建立不等高懸掛的參數(shù)化模型，并對(duì)其進(jìn)行彈性分析。在彈性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨的布置做一個(gè)探討。5.1錨段關(guān)節(jié)接觸網(wǎng)的一個(gè)基本劃分就是錨段,而順線路方向接觸網(wǎng)相鄰錨段之間是通過(guò)錨段關(guān)節(jié)銜接的。錨段關(guān)節(jié)的作用就是使受電弓平滑的從一錨段過(guò)渡到另一錨段。根據(jù)錨段所起的作用可分為電分段非絕緣錨段關(guān)節(jié)和電分段絕緣錨段關(guān)節(jié)：根據(jù)所含跨距數(shù)可分為三跨、四跨、五跨錨段關(guān)節(jié)。非絕緣錨段關(guān)節(jié)：僅起機(jī)械分段作用的錨段關(guān)節(jié)絕緣錨段關(guān)節(jié)：不僅起機(jī)械分段作用，同時(shí)又起同相電分段作用的錨段關(guān)節(jié)電分相絕緣錨段關(guān)節(jié)：帶有中性嵌入，既起機(jī)械分段作用，又具有電分相得功能錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡處有兩組對(duì)稱的懸掛，其中最重要的是接觸懸掛的抬升量和拉出值的布置。對(duì)錨段關(guān)節(jié)而言，轉(zhuǎn)換柱處下錨支接觸線抬高小了，不能滿足受電弓安全通過(guò)的要求；抬高大了，接觸線坡度太大，不能滿足受流質(zhì)量要求。所以確定合適的抬高量對(duì)受電弓安全快速的通過(guò)十分的重要。下面我將對(duì)既有線改造，結(jié)合Re200c接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)[12]的設(shè)計(jì)做些介紹。5.1.1錨段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的基本要求(1)電力機(jī)車受電弓能夠以規(guī)定的最大行車速度，順利地通過(guò)錨段關(guān)節(jié)，即不間斷地從一支接觸懸掛過(guò)渡到另一支接觸懸掛，這就要求下錨支接觸線對(duì)工作支接觸線有較大的升高。(2)為了受流狀態(tài)良好，這就要求工作支接觸線從工作支變化為下錨支時(shí)的坡度盡量小，又要求下錨支對(duì)工作支接觸線有較小的升高。(3)支持定位裝置能夠?qū)崿F(xiàn)。5.1.2Re200C錨段關(guān)節(jié)的一般要求接觸線高度布置:Re200C錨段關(guān)節(jié)[14]不管是3跨還是4跨,也不管是絕緣錨段關(guān)節(jié)還是非絕緣錨段關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線抬高均為500mm(跨距在55m及以下時(shí))或600mm(跨距在55m以上時(shí))而我國(guó)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì),絕緣錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線抬高量為450mm及以上,而非絕緣錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線抬高量通常只有200～250mm。拉出值布置：Re200C錨段關(guān)節(jié)接觸線拉出值設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn):一是轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線拉出值均設(shè)置在400mm以內(nèi)二是拉出值布置始終滿足每個(gè)定位器均處于受拉狀態(tài)(Re200C要求任何情況下定位器受力不小于80N)。我國(guó)3跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)除了轉(zhuǎn)換柱處非工作支抬高量小外,拉出值布置與Re200C差異不大(稍有不同的是Re200C的兩轉(zhuǎn)換柱間兩支接觸懸掛間距為200mm,我國(guó)一般為100mm),3跨、4跨絕緣錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線拉出值布置與Re200C不同。我國(guó)5跨絕緣、非絕緣錨段關(guān)節(jié)接觸線高度、跨距的布置與Re200C基本相同。5.1.3Re200C三跨錨段關(guān)節(jié)圖5-1Re200C3跨絕緣錨段關(guān)節(jié)平面圖圖5-2我國(guó)3跨絕緣錨段關(guān)節(jié)平面圖圖5-2按設(shè)計(jì)值,盡管在每個(gè)轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線都高于工作支接觸線約450mm,但由于轉(zhuǎn)換柱處非工作支拉出值大(若工作支拉出值200～300mm,絕緣距離500mm,非工作支拉出值為700～800mm),若運(yùn)行中受電弓動(dòng)態(tài)抬升量按100mm計(jì)算,則兩轉(zhuǎn)換柱間受電弓開(kāi)始接觸另一支接觸線時(shí),另一支接觸線的拉出值可達(dá)500mm以上。在風(fēng)偏(200mm左右)及受電弓水平晃動(dòng)下,即使運(yùn)行速度只有140km/h,受電弓水平擺動(dòng)量最大也可達(dá)200mm,拉出值可達(dá)800mm以上,毫無(wú)疑問(wèn)此時(shí)受電弓鉆入非工作支接觸線的可能性增加。實(shí)際在提速改造時(shí),為降低兩轉(zhuǎn)換柱間接觸線坡度,大多將隔斷絕緣子改為截面直徑小的有機(jī)絕緣子,轉(zhuǎn)換柱處非工作支抬高量只有300～350mm,受電弓鉆入非工作支接觸線的可能性更大。據(jù)文獻(xiàn)[21]介紹,為達(dá)到錨段關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱間接觸線過(guò)渡平滑,錨段關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱間兩支接觸線采用過(guò)渡區(qū)域等高布置(圖5-3a所示)或交叉點(diǎn)稍抬高布置(圖5-3b所示,接觸線抬高約為50mm左右)。我國(guó)目前尚未對(duì)此有特別規(guī)定,3跨絕緣錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱間兩接觸線布置如圖5-3c,交叉點(diǎn)處接觸線高度為450/2=225mm,接觸線工作值坡度達(dá)到7‰及以上,這也就是造成3跨絕緣錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)壓力增大的主要原因。但是,圖5-2兩轉(zhuǎn)換柱間接觸線若按圖5-3布置,在有動(dòng)態(tài)抬升的情況下,受電弓同時(shí)接觸兩支接觸線的開(kāi)始點(diǎn)靠近轉(zhuǎn)換柱,此時(shí)另一支接觸線拉出值更大,受電弓鉆入非工作支接觸線的可能性也就更大。圖5-3錨段關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱間兩接觸線布置示意圖比照上述分析辦法,由于Re200C3跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱處的非工作支接觸線高于工作支接觸線500mm及以上,同樣提高了受電弓通過(guò)時(shí)的安全可靠性。5.1.4Re200C四跨錨段關(guān)節(jié)Re200C4跨絕緣錨段關(guān)節(jié)布置方式如圖5-4所示。圖5-4中2#、4#轉(zhuǎn)換柱處,不論是工作支還是非工作支,接觸線拉出值均按小于500mm布置。由于轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線高于工作支500mm,接觸線是在2#～4#支柱間過(guò)渡,可以確保受電弓在錨段關(guān)節(jié)范圍內(nèi)不至于鉆入接觸線非工作支。圖5-4Re200C4跨錨段關(guān)節(jié)平面圖我國(guó)4跨絕緣錨段關(guān)節(jié)布置方式通常如圖5-5所示。存在以下問(wèn)題:一是同3跨絕緣關(guān)節(jié)一樣,由于2#～3#和3#～4#支柱間非工作支支接觸線拉出值大,容易造成受電弓鉆入非工作支接觸線；二是3#中心柱兩支定位器實(shí)際并未處于受拉狀態(tài),接觸網(wǎng)穩(wěn)定性差,定位器質(zhì)量使該支柱處硬點(diǎn)加大。圖5-5我國(guó)4跨錨段關(guān)節(jié)平面圖5.1.5Re200C五跨錨段關(guān)節(jié)Re200C5跨非絕緣、絕緣錨段關(guān)節(jié)布置方式分別如圖5-6、圖5-7所示。由于3#、4#轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線均按高于工作支150mm,2#、5#轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線按高于工作支500mm設(shè)計(jì),接觸線轉(zhuǎn)換在3#和4#支柱間完成,只要2#～3#、4#～5#間非工作支接觸線不出現(xiàn)大的弛度,2#、5#轉(zhuǎn)換柱處的非工作支拉出值大小已不會(huì)影響受電弓動(dòng)態(tài)運(yùn)行安全(實(shí)際上Re200c設(shè)計(jì)采用的最大值達(dá)850mm)。我國(guó)5跨錨段關(guān)節(jié)與其基本相同,不再贅述。圖5-65跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)圖5-75跨絕緣錨段關(guān)節(jié)Re200C的3、4、5跨錨段關(guān)節(jié)兩轉(zhuǎn)換柱間接觸線高度、轉(zhuǎn)換柱處拉出值布置方式使得風(fēng)偏和受電弓動(dòng)態(tài)活動(dòng)范圍內(nèi),幾乎不存在受電弓鉆入非工作支接觸線的可能性,增大了運(yùn)行可靠性,值得我們借鑒。對(duì)比Re200C錨段關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),我國(guó)既有電氣化鐵路3跨、4跨錨段關(guān)節(jié)跨距布置方式可以滿足200km/h運(yùn)行速度需要,不同的只是接觸線高度和拉出值布置方式。也就是說(shuō),我國(guó)既有線已采用的3跨、4跨錨段關(guān)節(jié)稍加改造,即可滿足列車200km/h運(yùn)行速度的需要。5.2不等高懸掛的彈性研究下面建立單跨不等高懸掛有限元模型，觀察懸掛抬高對(duì)彈性有何影響。所有參數(shù)和上一章等高懸掛一樣。圖5-8單跨不等高懸掛表5-2不同抬高各吊弦點(diǎn)在F=100N力的作用下的抬高量(mm)1234567H=0m9.3721．76028.76931.03328.76821.7609.3669H=0.2m9.3621.75728.76831.03328.77021.7609.368H=0.5m9.366921.75428.76531.03228.77121.7629.368H=0.8m9.3621.74928.76131.03128.77221.7649.3709由表可以看出，對(duì)單跨而言，盡管懸掛整體抬高，但對(duì)各點(diǎn)的彈性幾乎沒(méi)有什么影響；可以猜想，對(duì)多跨而言，抬高對(duì)懸掛彈性影響不大，如有影響可能對(duì)定位點(diǎn)附近應(yīng)該有些影響，下面研究三跨錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨的彈性。5.3三跨錨段關(guān)節(jié)的有限元模型和彈性研究由于錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨的兩組懸掛是對(duì)稱的，我們只建立一組懸掛來(lái)做彈性分析。先考慮拉出值，且由非工作支過(guò)渡到工作支時(shí)由簡(jiǎn)鏈到彈鏈過(guò)渡。下面所有分析，在求彈性時(shí)，所加的抬升力均為F=100N。表5-3輸入?yún)?shù)資料接觸線承力索吊弦彈性吊弦線性材料CTMH150JTMH120BzII10BzII35截面積(mm)150116.999.6235線材密度(kg/m)1.3501.0650.08900.310彈性模量(Pa)1.21.21.21.2泊松比0.330.330.330.33線索張力(kN)2721--3.5初始應(yīng)力0.1490060.1495850.10.8333吊弦根數(shù)(根)7第一吊弦間距(m)5結(jié)構(gòu)高度(m)1.6跨距(m)60轉(zhuǎn)換柱處非支的抬升量（mm）0.2彈性吊弦長(zhǎng)度（m）18三跨錨段關(guān)節(jié)模型如下圖：圖5-9三跨錨段關(guān)節(jié)有限元模型（Y方向放大20倍）表5-4定位點(diǎn)不約束的各點(diǎn)抬升量(mm)和彈性(mm/N)定位點(diǎn)1234567定位點(diǎn)跨1抬升量9.246818.45424.20326.58425.64121.36913.74118.396彈性0.092460.18450.24200.26540.25640.21360.13740.1839跨2抬升量18.39613.94622.13427.33629.62429.04325.29532.32435.00彈性0.18390.13940.22130.27330.29620.29040.25290.32320.35跨2抬升量35.0032.14225.15328.15828.12325.02318.7919.318彈性0.350.32140.25150.28150.28120.25020.18790.0932由表可以看出，中間跨定位點(diǎn)出的抬升量最大，其次是與定位點(diǎn)相近的與彈性吊索相連的節(jié)點(diǎn)抬升量較大，甚至比跨中位移都大；為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢，原因在于，彈性吊索改善了支柱附近的彈性，使附近剛度減?。挥捎谖覀?cè)诮r(shí)對(duì)定位點(diǎn)沒(méi)有加約束，而實(shí)際情況是，由于定位裝置的影響，支柱處的彈性應(yīng)該小于跨中彈性，所以會(huì)出現(xiàn)定位點(diǎn)附近彈性會(huì)大于跨中節(jié)點(diǎn)的彈性。但從彈性吊索改善接觸網(wǎng)的彈性方面看，對(duì)定位點(diǎn)開(kāi)放約束，其引起的作用跟顯而易見(jiàn)些。如果要精確的求解模型，可以用一個(gè)連接承力索座和定位器的非線性彈簧單元，在限定的位移范圍內(nèi)，剛度很小，不影響位移，超過(guò)限定的位移，則有很大的抗壓能力。由上表可得跨中彈性不均勻度為39.72%；下面我們將定位點(diǎn)與承力索座加彈簧單元，其他條件不變，看看各點(diǎn)抬升量如何變化。表5-5定位點(diǎn)限制的各點(diǎn)抬升量(mm)和彈性(mm/N)定位點(diǎn)1234567定位點(diǎn)跨1抬升量9.36021.09828.20230.83129.05522.84312.08711.278彈性0.09360.21100.28200.30830.29050.22840.12090.1128跨2抬升量11.27812.11423.03729.61131.97130.17824.19123.12916.812彈性0.11280.12110.23040.29610.3197030180.24190.23130.1681跨2抬升量16.81223.10824.08929.87831.33028.46621.2069.3821彈性0.16810.23110.24090.29880.31330.28470.21210.9382由表可以看出，中間跨中間節(jié)點(diǎn)的彈性最大，然后向兩邊減小；由于我們?cè)诙ㄎ稽c(diǎn)出加了彈簧單元，所以整個(gè)彈性規(guī)律更符合實(shí)際情況，即中間大，兩邊小。在我們做過(guò)渡跨彈性不均勻度時(shí)，我們最重要的是看過(guò)渡跨后半跨的彈性均勻程度，因?yàn)?，后半跨受電弓才接觸接觸線。所以，我們做彈性不均勻度時(shí)以過(guò)渡跨后半跨和下一跨前半跨來(lái)算。由表得彈性不均勻度為：31.07%。以下所有的分析都是在定位點(diǎn)處加上彈簧單元限制后分析得出的。轉(zhuǎn)換柱處非支抬高量對(duì)過(guò)度跨的彈性影響表5-6不同抬高的抬升量(mm)和彈性(mm/N)比較4567定位點(diǎn)1234H=0m抬升量30.44828.38622.11319.61712.37119.65722.18028.3630.185彈性0.30450.28390.22110.19620.12370.19660.22180.28360.3019H=0.1m抬升量31.69729.63123.37021.49314.64721.41623.12229.09030.721彈性0.31700.29630.23370.21490.14650.21420.23120.29090.3072H=0.2m抬升量31.97130.17824.19123.12916.81223.10824.08929.87831.330彈性0.31970.30180.24190.23130.16810.23110.24090.29880.3133H=0.3抬升量32.25530.73525.02424.75418.97324.78725.06830.67631.676彈性0.32260.30740.25020.24750.18970.24790.25070.30680.3168H=0.5m抬升量32.85231.88526.72827.94823.27228.09027.06432.30433.213彈性0.32850.3188026730.27950.23270.28090.27060.32300.3321由表5-6可以看出，非支抬高后，過(guò)渡跨各點(diǎn)的彈性有所增加，分別計(jì)算其彈性不均勻度為：42.21%、32.738%、17.60%，由此可見(jiàn)，抬高量越高，彈性不均勻度越?。粡谋碇袛?shù)據(jù)對(duì)比可以看出，跨中彈性變化量并不是太大，主要是定位點(diǎn)附近的彈性隨抬高而增大。非支抬高，必然會(huì)導(dǎo)致受電弓過(guò)渡時(shí)同時(shí)接觸兩支的長(zhǎng)度減小，要保證受電弓平滑過(guò)渡，和良好的受流質(zhì)量，我們就要盡量保證過(guò)渡時(shí)同時(shí)接觸兩支的長(zhǎng)度，即減小抬高量，但同時(shí)彈性不均勻度又增大了；所以我們要取一個(gè)合適的非支抬高量來(lái)保證過(guò)渡長(zhǎng)度和懸掛的彈性不均勻度。圖5-10非支不同抬高量的彈性比較跨距和吊弦間距對(duì)過(guò)渡跨彈性的影響表5-7不同跨距的抬升量(mm)和彈性(mm/N)比較4567定位點(diǎn)123450m抬升量27.46826.18021.68022.31516.85222.25721.49825.76126.686彈性0.27470.26180.21680.22320.16850.22260.21500.25760.266960m抬升量31.97130.17824.19123.12916.81223.10824.08929.87831.330彈性0.31970.30180.24190.23130.16810.23110.24090.29880.313370m抬升量36.48834.20926.76623.86716.96523.86626.72934.01135.970彈性0.36490.3421026770.23870.16960.23870.26730.34010.3597圖5-11不同跨距對(duì)彈性的影響分析表5-7，可得三者的彈性不均度，分別為25.37%、32.738%、36.523%，即依跨距的增加，彈性不均勻度也增加。所以，如果在其它參數(shù)不變的情況下，要降低過(guò)渡跨的彈性不均勻度，可以適當(dāng)減小跨距值。由表還可以得出，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的彈性也是增加的。但定位點(diǎn)附近彈性增加不明顯，主要是增加了跨中附近的彈性。表5-8不同吊弦根數(shù)的抬升量(mm)和彈性(mm/N)比較4567定位點(diǎn)12346根抬升量41.47535.80128.82524.30817.15924.30728.76935.49840.980彈性0.41470.38500.28820.24310.17160.24310.28770.35500.40987根抬升量31.97130.17824.19123.12916.81223.10824.08929.87831.330彈性0.31970.30180.24190.23130.16810.23110.24090.29880.31338根抬升量39.97836.09432.53425.13023.40316.779（定位點(diǎn)）23.40325.10432.396彈性0.39980.36090.32530.25130.23400.16780.23400.25100.3240由表5-6分析得：6根、7根及8根吊弦布置時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性不均勻度分別為41.47%，32.738%，40.87%，對(duì)應(yīng)的跨中彈性為0.4147 、0.3197、0.3998，如果按計(jì)算跨中彈性的公式分析，相同的接觸線和承力索張力在相同的懸掛方式下以相同跨距布置的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)有相同的跨中彈性。而從表5-6的數(shù)據(jù)看來(lái)，吊弦布置對(duì)接觸懸掛的彈性和彈性不均勻度是有影響的。并且有意思的是，對(duì)于奇數(shù)根吊弦，其跨中的彈性比偶數(shù)根吊弦的彈性要小，并且整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的彈性不均勻度也低些。這就為我們布置接觸網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)提供了一些有意義的分析數(shù)據(jù)，可以考慮在布置接觸網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)優(yōu)先考慮奇數(shù)根吊弦的布置方案。從表中可以看出，定位點(diǎn)附近的彈性變化仍然不大。接觸線張力和承力索張力對(duì)過(guò)渡跨彈性的影響表5-9承力索張力變化時(shí)過(guò)渡跨抬升量(mm)和彈性(mm/N)比較4567定位點(diǎn)123427KN+21KN抬升量31.97130.17824.19123.12916.81223.10824.08929.87831.330彈性0.31970.30180.24190.23130.16810.23110.24090.9880.313327KN+18KN抬升量33.82831.96825.76324.05217.53524.03625.67631.37233.148彈性0.33830.31970.25760.24050.17540.24040.25680.31370.331527KN+15KN抬升量35.45633.48727.05324.67218.3024.67527.03333.26134.815彈性0.35460.33490.27050.24670.1830.24680.27030.33260.3482由表5-9可以看出：接觸線張力保持不變，而承力索張力變化時(shí)，對(duì)各吊弦點(diǎn)的彈性是有影響。承力索張力越小，對(duì)應(yīng)吊弦點(diǎn)的彈性就越大，但增大不是太明顯