ANSYS有限元在腕臂结构计算中的运用

ANSYS有限元在腕臂结构计算中的运用

杨袁煌

中铁第四勘察设计院集团有限公司

摘要：在接触网系统中，接触网腕臂支持结构的功能是支撑、定位并承受机械与电气荷载作用。腕臂结构的工作性能、稳定性与可靠性直接影响接触悬挂系统的稳定性及可靠性，通过总体分析可以了解两者之间的关系，进而对腕臂结构进行优化设计以提高腕臂系统的稳定性，因此对腕臂结构的精确分析意义重大。本文通过对有限元的计算方法介绍，阐述了利用ANSYS有限元软件对腕臂系统结构的受力计算的计算过程，总结腕臂系统的受力规律，为接触网系统腕臂结构设计提供可一种计算参考方法。

关键词：腕臂系统；原理介绍；分析计算；有限元；ANSYS

一、常规腕臂系统的理论计算方法介绍

图1旋转腕臂安装示意图

①—水平腕臂②—斜腕臂③—定位管④—定位管支撑⑤—棒式绝缘子

腕臂支持装置是由主要的受力件即平、斜腕臂管、定位管、定位器、绝缘子及其连接、支持、定位、固定等零部件组成。腕臂支持结构属于超静定结构，为便于公式推导和手工计算，以往分析时常将结构做一些简化，如忽略套管双耳等连接件，将承力索的荷载直接加到平腕臂上，将接触线的荷载直接加到定位换上等；再通过将定位管简化为简支梁结构；将平腕臂简化为悬臂+简支结构；将斜腕臂简化为简支梁结构，对每个构件分别进行强度、刚度、稳定性进行分析（静力学计算）。

传统的手工计算方法虽然能系统的校验腕臂各构件的安全性，但毕竟手工计算比较繁琐，计算结果不直观，且存在较明显的问题，如忽略连接件，则结构的几何尺寸与实际不一致，连接件对腕臂管的附加弯矩未计入。

二、有限元的基本原理介绍

有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。有限元的核心思想是将结构离散化，将实际结构离散为有限数目的规则单元系统，即将无限自由度的求解问题转化为有限自由度的问题，通过建立数学方程获得有限自由度的解，这样可以解决许多采用理论分析方法无法求解的复杂工程问题。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果；具体操作步骤如下：

1）前处理模块：创建有限元模型

（1）创建或读入限元模型

（2）定义材料属性

（3）划分网格

2）求解模块：施加载荷并求解

（1）施加载荷及设定约束条件

（2）求解

3）后处理模块：查看结果

（1）查看分析结果

（2）检查结果是否正确

三、采用ANSYS有限元软件分析腕臂结构的意义

对于腕臂结构的几何模型由若干个关键点的位置坐标来描述，根据几何尺寸首先确定各关键点的坐标，再进行相关点之间的连接以构成模型。在对关键点编号与连线时，应预先考虑有限元模型中的节点耦合的要求。故腕臂结构分析程序可在通用有限元分析软件ANSYS系统内进行开发；腕臂结构采用ANSYS有限元进行分析具有以下等意义：

1）、几何模型准确，成果信息丰富，能精确反应实际情况。

2）、能模拟各种工作状态，为零件研制和校核、样机实验和定制相关标准参数提供依据和参考。

3）、通过计算可以得到各个零部件的内力，为制定合理的零部件荷载标准提供有力的依据。

4）、能综合考查腕臂结构的工作性能，进而对各构件优化设计。

四、利用ANSYS对腕臂结构分析计算步骤

1）、结合线路的气象条件、张力体系、跨距、拉出值等工况条件，归纳计算作用在腕臂上的荷载大小，见表1；

表1腕臂用的外部荷载归算表（供参考）

注：表1中外部荷载的计算条件均按直线或曲线半径R>5000m的曲线考虑，对于其它不在该范围内的线路条件应根据实际情况具体分析；限界暂按3.7m考虑。

2）、收集腕臂结构系统的材料参数及几何尺寸，见表2

3、根据安装图信息，确定腕臂结构的模型、安装尺寸见图2；

5、根据步骤2收集的材料参数，定义腕臂结构系统各杆件的材料参数；

6、定义约束条件，选择约束方程，划分腕臂结构单元网格；

7、根据步骤1归纳总结的荷载，施加荷载；

8、求解；

9、结果读取、分析结果，见图4、图5；

图4腕臂有限元计算位移及应力云图（钢腕臂）

图5腕臂有限元计算位移及应力云图（铝合金）

从以上分析计算步骤可以看出，利用ANYSYS有限元软件对腕臂结构进行分析具有以下等优点：

1）、可以更方便的处理一般工况荷载条件。

2）、可以模拟出几种不同材料构成的结构系统，提供较为准确的分析计算。

3）、可以随时改变模型的边界条件。

4）、可以随时改变有限元模型，对腕臂结构设计进行优化调整。

5）、结果输出简单明了，容易掌握腕臂结构的受力状态和变形规律，指导下一步的优化设计。

五、结合ANSYS有限元软件对腕臂结构优化设计的一些结论

1）平腕臂长度不大于3.3m时，腕臂系统能满足正常使用要求。

2）平腕臂长度大于3.3m时，应根据具体工点、工况设计分析。

3）通过调整平斜腕臂管的厚度可以很大程度的改善腕臂系统的挠度，该方式在大限界腕臂设计优化设计时效果最为显著。

4）通过合理布置腕臂管支撑的布置位置（如下图示），平腕臂上连接腕臂支撑的套管双耳尽量靠近平腕臂绝缘子，斜腕臂上连接腕臂支撑的套管双耳尽量靠近定位管卡子，可以很大程度的改善腕臂系统的挠度，该方式对改善大限界腕臂的挠度仅次于增加腕臂管的厚度。

6）腕臂系统中有且仅有一处腕臂支撑时，尽量避免平腕臂上的套管双耳位置在平腕臂中心部位，对改善腕臂系统的挠度不但没有好处反而会增加腕臂系统的挠度（如下图示）。

参考文献：

[1]毛德培《钢结构》教材中国铁道出版社

[2]中华人民共和国国家行业标准《铁路电力牵引供电工程设计规范》

[3]刘峰涛电气化铁道2004年第6期《接触网腕臂支持结构的仿真分析》

[4]中国铁道出版社1983年《接触网设计手册》