25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析论文

扬州大学广陵学院 本科生毕业论文 毕业论文题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6 月 4 日 摘 要 随着社会的发展与进步，各种大型广场、车站、 公路立交桥、港口以及机场 等陆续建成，这些区域对大面积照明的需求推动了高杆灯的发展。而随着高杆灯越来越广泛的应用，它的结构强度和成本也逐渐成为了社会关注的焦点。高杆灯的设计制作是多门学科交错渗透的综合体 ,其深刻的机理自有着它的严密性和科学性。 本课题主要运用了 ANSYS 大型商用有限元软件，对 25 米高杆路灯灯杆结构在风载、雪载以及自身重力的作用下，进行了有限元分析，得出灯杆各部件的应力与变形的大致分布情况，分析路灯灯杆结构的强度是否符合设计的要求。并且在此基础上进行改进设计，通过进一步减小杆壁的厚度、调整法兰孔及螺栓尺寸、减小地基体积等方法成功地降低了高杆灯的重量与成本。 关键词：高杆灯，有限元分析， ANSYS 软件，应力 Abstract With the development and progress of society, many of the large square, station, port and airport, highway overpasses are built,these regional demand for large area lighting to promote the development of the high pole lamp.And with the more and more extensive application of the high pole lamp, its structural strength and cost has gradually become the focus of the social concern.The designing of Lamp is a complex of the multi-discipline, its deep mechanism has its own rigor and science. This topic is using ANSYS which is the large commercial finite element software makes the finite element calculation of 25 meters high rod lamp when it under wind load, snow load and its gravity,we get the stress and deformation distribution and analyse the strength of the structure and the stiffness of the street lamp to know whether it accord with the requirements of the design.And on this basis to improve the design,by further reducing the thickness of rod wall, adjust the flange hole and bolt size, reducing the ground volume method successfully reduce the weight and cost high pole lamp. Keywords: High pole lamp， the finite element analysis, ANSYS software, stress 目录 摘要 Abstract 第一章 绪 论 .5 1.1 引言 .1 1.2 高杆路灯的国内外研究状况 .4 1.3 高杆灯杆体强度分析以及变 形 .6 1.3.1 高杆灯杆体的力学计算 .6 1.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置 .9 1.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响 .10 1.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核 .10 1.5 本章小结 . 11 第二章 高杆灯的总体设计 .12 2.1 灯杆设计 .12 2.2 光源及灯具配置 .13 2.2.1 光源的选择 .13 2.2.2 灯具的选择 .13 2.3 灯盘及升降机构 .14 2.4 基础设计与修建 .16 第三章 25米高杆路灯杆灯有限元分析的建模过程 .18 3.1 相关软件介绍 . 18 3.1 Solid Works 简介 . 18 3.2 25 米 高杆灯的主要内容和参数 .25 3.3 ansys 软件简介 .27 3.4 软件模型处理过程 .27 3.5 25 米高杆灯的有限元模型 .28 3.6 解决的问题 .28 第四章 25米高杆路灯灯杆的有限元分析和优化设计 .30 4.1 单一载荷下的有限元分析 .30 4.1.1 风载 .30 4.1.2 雪载 .33 4.2 多重载荷下的有限元分析和优化设计 .36 4.2.1 有限元分析 .36 4.2.2 结论分析 .40 4.2.3 结构优化 .41 4.2.4 优化建议 .45 结 论 .46 参考文献 .47 致 谢 .46 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 1 第一章 绪 论 1.1引言 近年来 ,伴随着国内照明技术的不断提高和引进国外的先进照明装置 ,高杆灯照明越来越受到人们的欢迎和广泛重视。如 1996 年 9 月完工的沪宁高速公路 ,就采用了英国的 CU 公司的照明技术 ；比如 1997 年 7月完工的南京禄口国际机场专用高速公路也采用了英国的科艺公司的照明技术。国内外的高杆照明技术正在向实用化、功能化的方向发展。灯杆由圆柱等径向多边形的锥体发展，灯盘结构 由装饰型向框架功能型发展，升降机构由单筒向多筒发展，光源由 400W 钠灯向 1000W 钠灯发展 ,电器控制由人工的向时控及光控等自动控制方向发展。除此之外 ,灯杆表面的防腐处理工艺、挂钩结构、电器控制等很多方面也向高技术方向发展。再比如高杆灯的杆体也正由等径柱体加芯接式向多面锥体分段套接式方向发展，杆材也由过去的 A3 中碳钢向 Q235A 低碳钢方向发展。高杆灯表面防腐工艺呢，也由过去的热喷铝工艺向内外热浸锌工艺方向发展 ,这就是是高杆照明技术的一大进步。灯杆的焊接容积深度要大于 0.8,否则会危及使用安全。焊接的工艺适宜采 用自动氩气保护电弧焊或者自动埋弧焊焊接工艺。灯杆的臂厚应该根据使用环境条件和自身的结构强度要求取定 ,臂厚太厚了不经济、浪费材料 ,若太薄了又不能满足强度和安全要求 ,同时还要考虑到安装、运输过程中的变形问题。对于国内钢材特点 ,30m 以下的高杆灯杆体宜卷压折弯成 12 边形以下 ,因为不这样灯杆外形将失去外形轮廓美感。灯杆的内外适宜采用热浸锌工艺处理 ,镀锌层厚度要求大于 86Lm、 610g/m2。上面述说的灯杆结构和防腐工艺克服了传统等径柱体加芯焊接结构的许多缺陷。比如 :接口处易生锈挂铁锈斑迹，易生锈层层剥离 ,内臂防腐性 能差等等。新型结构防腐效果比较好 ,安装也相对方便简单。 高杆灯一般是指 25米以上的大功率组合式灯架和钢 制柱型灯杆构成的新型的照明装置。它是由杆体、升降机构灯座、内部灯具电气、及基础部分组成的 1。因为 高杆灯具有挺拔且高耸的外形和十分出色的照明效果，所以被越来越广泛地用于城市码头、公路、车站、体育场、立交桥等很多户外大面积的照明场所。 与普通路灯比较，它具有照明灯具功率大、灯具数量多、灯杆高度高、照射范围大的特点。在这陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 2 些公共地方使用大型的灯具，安全性是很重要的。尤其是在一些恶劣的天气中，有时可能会发生高杆灯的 倒塌事故，倒塌的原因大部分是高杆灯灯杆的强度不够，很多厂家在进行高杆灯的设计时，并没有进行强度校核或者以低于 10 级大台风的要求进行校核。有关高杆灯灯杆结构强度的验算，我国目前还没有具体的详细规范。 目前 ,在国内安装使用的高杆灯杆体 ,常见的有正 12棱台型套接式和圆台型焊接式两种。前者是在安装的现场分节起吊 ,逐步套接安装 ；后者呢是在安装现场把多节圆台型的杆体当场焊接成型 ,然后整杆起吊安装。这仅仅是表面上的区别。从抗风荷载的本质特性和建筑力学来分析 ,两者抗风荷载的情况和静力学特征有着明显的差异。正 12 棱台灯杆体形 风压系数是 1.1464，而圆台型灯杆体形风压系数才 0.8；换句话说 ,同一高度横截积相等的两种样式的高杆灯 ,它们在同样的风速作用下 ,正 12棱台灯杆受到的风荷载作用力是圆台型灯杆的 1.433 倍。在这情况下 ,为了让这两种造型的灯杆有相同的抗风荷载能力和一样的安全系数 ,那么正 12 棱台型灯杆杆体的钢板壁厚、相同高度处的截面积、还有地脚紧固螺栓的直径等必须比圆台型杆体来得大 ,所以高杆灯整体耗材也大。正 12棱台型灯杆虽然省去了安装现场焊接的麻烦 ,但是杆体间的多节套接 ,同时也增加了杆体的实际长度。就比如 30m 的高杆灯 ,做成三节套节式杆体 ,实际增加的杆体长度为 1.8-2.0m。增加了成本的同时又增加了自重和杆根处的负载。再者 ,正 12 棱台套节式的灯杆各分套节成型 ,是预先裁切的钢板料在大功率的折弯机上弯折出 12条棱线后 ,再由自动焊接机焊接为正 12 棱台型分节钢筒。钢板在形变时 ,刚度必受受损。圆台型灯杆的杆体横截面是一个圆 ,圆的刚度比正 12 边形大很多 ,所以同样截面积的圆台型灯杆会比起正 12 棱台型灯杆的抗风荷载能力大。但也有人曾怀疑圆台型的分节杆体在高杆灯安装的过程中 ,各个分节之间的对接碰焊在抗风荷载中的强度有问题。实际上 ,在各分节对接 碰焊处的杆体内 ,内衬小段钢环 ,使它同时焊连在碰焊缝内侧的杆体上 ,然后再加上电焊烧结的理化特点 ,碰焊缝处的刚度和强度会大大增强 2。 高杆灯的 外形形态各异， 它们的共同之处是灯盘硕大、灯杆细长。作用于杆体上的力有：冰雪载荷、风载荷、杆体自重、灯盘重量。其中，风载荷对杆体的挠度值和应力所起的作用最大。风载荷是动力载荷，有不稳定的、稳定的两种。稳定的风可以视为静力作用，而不稳定的风除产生静力作用外，还会产生动力作用。相对陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 3 于刚度大的结构，其实风的动力影响很小，只考虑风压静力作用即可，但对于高的灯杆结构，由于其刚度小 ，自振频率低，结构容易在突发的阵风作用下产生弹性振动。对于高杆灯杆体来说，除了计算风的静力作用之外，还需计算风振。灯盘的样式对杆体的挠度、强度起着决定性的作用。高杆灯在风速很大的地区安装时，应尽量采用迎风面积小点的功能型灯盘，节省杆体的截面，从而减少杆体材料的用量，降低高杆灯生产成本。高杆灯的杆体比较常见的有三种主要型式：三角柱杆、梢杆、直杆。和三角柱杆相比较，三角柱杆的自重和刚度较大。梢杆和直杆的力学特性有所不同，对于具有相同杆体壁厚和相同的底部直径的梢杆和直杆，当它们处于各种风速下，在杆体中产生的杆体的 最大挠度值和最大应力不同。在它们的杆体中，为了减轻杆体的重量，一般是将杆体壁厚由根部到顶部逐步减小。因为杆体过长，在实际制造中，宜将杆体分成三段或四段来制造，现场安装的时候再连接在一起。各段杆体壁厚不同，其分布按杆体的分段自然形成。在杆体的设计过程中，其强度不能满足要求时，一般采用增加杆体壁厚或增大杆体根部直径这两种方法 3。 一般来说 ,在港口、高速公路的露天站口、在海岛等气候条件比较差以及自然地理环境复杂的地域 ,适合选用圆台形型焊接灯杆。在市内广场、大院之内的高杆灯 ,由于场地风速较小 ,场地的四周建筑不方 便整根灯杆同时起吊安装 ,就可以采用正 12棱台型套节灯杆。综合高杆灯设计制作个例和高层建筑 (30 米以上的高杆灯视为高层建筑处理 )的有关文献资料 ,灯杆的造型以圆台形为佳 ,也可以做成正十二棱台形。正十二棱台形的风阻系数为 0.96,圆台形的杆体风阻系数为 0.8,且杆体截面积一样的正多边棱台形和圆台形杆体相比 ,风阻系数大。但正十二棱台形杆体适宜做成套接式 ,从而省去了各节灯杆之间的焊接 4。 总的来说，国内高杆照明技术渐渐走向成熟 ,由于目前国家并没有颁布规范的高杆照明技术相关细节 ,很多城市的高杆灯存在问题，比如灯盘的 外观与周围环境极不相称、不能满足高杆照明的功能性和装饰需求、光源灯具的配置不合理、灯杆内外表面防腐处理工艺差、运行存在安全和质量隐患 ,事故频发等等。 基于这种情况，本课题以 ANSYS 软件为主要工具，对 25 米的高杆路灯灯杆在风载、雪载和自身重力作用下进行有限元分析，并进行优化设计。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 4 1.2 高杆路灯的国内外研究状况 高杆照明是指照明的装置安装高度大于 20 米的杆状照明设备 ,近年来，由于它采用了新光源 ,以及在结构上的改进 ,在国外应用正逐渐扩大 ,目前除了常用汽车停车场、广场、公路交叉区作大面积照明外 ,也渐渐用 于商业区街道、自来水厂、铁路编组场等处。在国内 ,高杆照明虽然近年来、有采用 ,但例子少 ,偶而用作汽车停车场或者广场体育场照明。 国外运用概况： 汽车停车场照明：迈阿密国际机场 1978 年客运量超过 160。万人次，其汽车停车场可容纳 47000 辆汽车。该机场原设有 398 根普通高度的照明杆，每杆装有 2只40。瓦水银灯，其中停车场占 250 根，这为数可观的电杆不仅缩小停车场面积，影响美观，而且照明质量差，有阴影和暗区，维修困难，费用亦大。 1976 年后机场决定采用高杆照明 (图 1-1)，杆高 30.5 米 (100 英尺 )，间距 30.5 米，每杆顶部安装一组包括 6只 1000 瓦金属卤化物灯的照明装置，成功地对 155500 米： (2000000 英尺2)的区域实现了均匀照明，测得的最小地面照度达 53.8 勒 (lx)，这样，机场及停车场的面貌焕然一新，行车也增加了安全性。 图 1-1 迈阿密国际机场停车场的高杆照明系统的结构示意 公路交叉区照明：高杆照明有照明面积大、炫光低、照度均匀等优点，在美国陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 5 用作公路交叉区照明。俄亥俄州阿克郎商业区的公路交叉区，采用了每杆带有 4个1000 瓦金属卤化物灯并且设有升降装置的高杆照明，设计采用了对称、不对称 的杆射器。 铁路编组场照明：美国路易斯维尔枢纽站新建的自动化调车场采用了 36根高杆照明 ,杆高 15.3、 30.5 米 ,杆距 252.4-182.9 米 ,每杆装有 12 只 1000 瓦的金属卤化物灯 ,调车场长 6.436 公里 ,最宽处约 305 米 ,高杆照明使缓行器区和调车场分别达到54 勒 .21 勒的总照度水平。借助高杆内的提升缆索及其上的灯盘可降至地面进行清理和更换灯泡。美国南方铁路系统斯彭塞编组场占地 1.52 平方公里 ,采用了高杆照明与普通高度相结合的照明方式 ,全部采用高压钠灯。设计中包括 18 座高度为 30.5、36.6米的高杆照明 ,其上采用 1000瓦照明装置 ,此外再以编组场周围电杆上的 250瓦路灯照明作为补充 ,获得的全场平均水平照度为 11勒 ,平均照度与最小照度之比 4:l,炫光很低 ,电能相当节约 ,照明消耗功率低于 0.22 瓦每平方米。该设计曾获美国 1980年地区性照明设计奖和 Edwin.F.Gut 五功绩纪念奖。 日本京王线路线的调布车站南口广场上，出现了一盏使用太阳能的路灯。这盏路灯是京都的一家专门厂商研制的。它的结构是：在高骊的灯杆顶上装两块聚热板(57cm 80cm)，它们白天吸收太阳能，为太阳电池充电。天暗下来后，开始自动通电，点 亮 20瓦的荧光灯。电池的能力是，暗天时，每天可储蓄供 24小时用的电能。这盏路灯的寿命长，可以使用 10 年以上，不需调换。它的另一个优点是，在发生灾害而停电时，也能使用。 国内运用概况： 广场照明： 1975 年建成的上海体育馆，其正门入口处广场采用了 2 座高杆照明，杆高 30 米，杆距 100 米，其外形如图 1-2。杆上套有可动式灯盘，上设 18 只 100。瓦钠蛇锢灯，灯杆下部为地下机房，藉机房内的卷扬电动机通过杆内钢索控制灯盘升降，照明电源由地下机房通过杆内送至杆顶再借助软电缆送至灯盘，软电缆可随盘升降，当上升至顶盘 时，电缆围盘在灯盘上，当需要更换灯泡或维修线路时，软电缆及灯盘可下降至离地 l米左右，以便在地面维修。 停车场照明：上海公交汽车六场的停车场占地 2万平方米，采用了 l 座高杆照明就获得了所需照度。杆高 28 米上设 LD 一 400 日光色摘灯 20 只，杆下的地下机房陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 6 内有 4 千瓦电动机一台，以控制灯盘升降。它与上海体育馆的一个不同之处，为电源不以软电缆引至灯盘，而是通过灯杆内壁的固定配线将机房内的电源引至顶盖上的静触头，当灯盘上升至杆顶，灯盘上的动触头与顶盖上的静触头接触时，接通电源 .据估计，如用普通路灯代替则需 32 根电杆，杆上 装设 1000 瓦高压水银灯或设 40。瓦日光色摘灯，用电量为 12.8、 32千瓦，而高杆照明仅为 8千瓦。 我国北京华基电脑公司研制出一太阳能为能源的系列路灯。太阳能路灯是由光电板、储能电池、灯具、控制系统和安装杆等五部分组成，白天用太阳能板吸收光能，给蓄电池充电，晚上则自动使等发光。 图 1-2 上海体育馆入口处广场的高杆照明 1.3 高杆灯杆体强度与挠度分析以及变形 1.3.1 高杆灯杆体的力学计算 1、计算内容 1）杆体强度：杆体的最大应力及其所处的位置。 2）杆体挠度：杆体的最大挠度。当在高杆灯上安 装摄像头时，还需计算摄像头安装处的挠度。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 7 3）杆体根部受力：杆体根部的垂直力、水平力、弯矩。 4）杆体的自振周期 2、风速的选取 高杆灯一旦在现场安装完毕，就常年处于工作状态。在进行杆体的力学计算时，风速应选取高杆灯安装所在地区的最大风速。当高杆灯上安装有摄像头时，还需计算摄像头工作时的最大风速情况下杆体在摄像头安装处的挠度。 3、高杆灯杆体的受力 作用于杆体上的力有：杆体自重、灯盘重量、冰雪载荷、风载荷。这其中，风载荷对杆体的应力与挠度值所起的作用最大 8。 风载荷是一种动力载荷，有稳定的和不稳定的两种 。稳定的风可视为静力作用，不稳定的风除产生静力作用外，还产生动力作用。对于刚度大的结构，风的动力影响很小，可只考虑风压静力作用，但对于高耸的灯杆结构，由于刚度小，自振频率低，在突发的阵风脉动作用下，易使结构产生弹性振动。因此，对于高杆灯杆体来说，除计算风的静力作用外，还需计算风振 9。 高耸结构在风振时的风载荷计算公式如下： AqKCFh (N) 其中： 与结构型式和自振周期有关的风振系数； C 风载体型系数； hK 风压高度变化系数； q 标准风压 （ Pa ） ； A 结构垂直于风向的迎风面积（ 2m ）； （注：风压 q与风速 v 的关系式为：6.12vq （ Pa ），风速 v 的单位 m/s）。 4、高杆灯灯盘型式对杆体强度、挠度的影响 由于造型和照明功能上的不同要求，高杆灯的灯盘具有很多型式。常见的 形式有：功能型、单面照型、框架型、牵牛花型。由图 3可看出，各种型式灯盘的迎风面积是不同的。虽然灯盘的迎风面积与灯具的个数、每个灯具的迎风面积、灯具陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 8 支撑结构架 的迎风面积有关，但从总体上来说，功能型灯盘的迎风面积最小，单面照型灯盘的迎风面积最大，框架型和牵牛花型灯盘的迎风面积相近，均仅次于单面照型灯盘。灯盘上的风载荷位于杆体的顶端，因此其风载高度系数大、相对杆体根部的力臂大，对杆体的应力、挠度的影响也很大。为了比较不同型式的灯盘对杆体强度与挠度的影响程度，分别对安装有功能型灯盘和单面照型灯盘的灯杆进行了计算。计算结果表明：当单面照型灯盘的迎风面积为功能型灯盘的迎风面积的 4倍时，前者灯杆中的最大应力约为后者的 1.75倍，最大挠度约为后者的 1.82倍 10。 由上可 知，灯盘的型式对杆体强度和挠度起着决定性的因素。当高杆灯安装在风速很大的地区时，应尽量采用迎风面积小的功能型灯盘，以节省杆体的截面，进而减少杆体钢材的用量，降低高杆灯的生产成本 6。 5、高杆灯杆体型式对杆体强度、挠度的影响 高杆灯杆体常见的主要型式有三种：梢杆、直杆、三角柱杆。梢杆的根部直径大于顶部直径；直杆的根部与顶部直径相同；三角柱杆为空间桁架结构，主肢为三根布置在三角型截面上的直杆，中间用横杆连缀。上述三种型式的杆体由于自身的特点，它们的迎风面积、风载荷、刚度、自重均不相同，如表 1-1所示。其中三 角柱杆的刚度在三种型式的杆体中最大，因此它适用于风速大的地区，或者适用于对高杆灯挠度要求高的场合。与三角柱杆相比较，梢杆和直杆的自重和刚度均较小。但梢杆和直杆的力学特性又有所不同。对于具有相同底部直径、相同杆体壁厚的梢杆和直杆，当处于各种风速时，在杆体中产生的最大应力及杆体的最大挠度值不同。以 35米牵牛花型升降式高杆灯为例，梢杆和直杆的基本参数如下： 梢杆：灯杆下口径为 700mm，上口径为 420mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、 10mm、 8mm、 6mm。灯盘与灯具的迎风面积为 3.5 2m ，灯杆迎风面积为 19.6 2m ，灯盘加灯具的重量约为 7000N，灯杆的重量为 5000N，灯盘直径为 4500mm，灯盘高度为 1500mm。 直杆：灯杆下口径为 700mm，上口径为 700mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、10mm、 8mm、 6mm。灯盘与灯具的迎风面积为 3.5，灯杆迎风面积为 24.8，灯盘加灯具的重量约为 7000N，灯杆的重量为 60000N，灯盘直径为 4500mm，灯盘高度为 1500mm。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 9 表 1-1 梢杆、直杆、 三角柱杆各项性能指标等级对比表 杆体形式 迎风面积 风载荷 刚度 自重 梢杆 最小 最小 最小 最小 直杆 中等 中等 中等 中等 三角柱杆 最大 最大 最大 最大 梢杆和直杆的最大应力和最大挠度对比值参见表 1-2。 由于直杆的杆体迎风面积与自重均较梢杆大，因此其最大应力比梢杆的最大应力大，但其刚度也比梢杆大。直杆可用于对刚度要求较高的场合，如安装有摄像头的灯杆。 表 1-2 梢杆、直杆最大应力和最大挠度对比表 风速 风力等级 梢杆最大应力 直杆最大应力 梢杆对大挠度 直杆最大挠度 （ m/s） （ Kg/cm2） （ Kg/cm2） （ cm） （ cm） 7.9 四级风 -105 -124 6.3 4.9 13.8 六级风 -293 -346 20.0 15.7 16.0 七级风 -385 -454 26.7 20.9 20.7 八级风 -632 -745 44.6 35.1 33.0 十二级风 -1574 -1858 113.2 89.2 1.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置 在梢杆或直杆的杆体中，为减轻杆体重量，通常将杆体壁厚由根部到顶部逐步减薄。 由于杆体过长的原因，高杆灯在实际制造中，将杆体分为三段或四段制造，现场安装时再连接在一起。每段杆体具有不同的壁厚，亦即壁厚的分布按杆体的分段自然形成。 在杆体的有限元计算中，当杆体壁厚分布位置欠佳时，杆体中的最大应力并非出现在杆体根部，而是发生在杆体上的某一薄弱断面 6。 以 30m高杆灯的杆体强度计算为例：灯杆为梢杆，下口径为 650mm， 上口径为陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 10 350mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、 10mm、 8mm，灯盘与灯具的迎风面积为3.5m2，灯杆迎风面积为 15.0m2，灯盘加灯具的重量为 7000N，灯杆的重量为 37000N。 俞晓红等 7采用了有限元程序计算高杆灯在其自重及风力（六级风， 13.8m/s）影响下的杆体强度。计算可知杆体内最大应力为 -25.04 PaM ，出现在杆体根部稍上位置，而杆体根部的的应力为 -22.11MPa。 以上结果表明，当杆体壁厚自下到 上呈阶梯状分段分布时，杆体内的最大应力并非像只有一种壁厚的杆体那样出现在杆体的根部，而是出现在其它的薄弱截面上。当发生这种现象且杆体内的最大应力与根部的应力值相差较大时，则应适当调整杆体的壁厚分布。 1.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响 杆体材料通常选用碳素结构钢 Q235和低合金结构钢 16Mn，它们的力学性能如表 3所示。 表 3 Q235与 16Mn力学性能对比表 16Mn钢的综合力学性能、焊接性能良好。与 Q235钢相比，强度提高近 50%，耐大气腐蚀能力提高 20 38%，而市场价格很接 近 11。 在杆体设计过程中，当杆体的强度不能满足要求时，通常采用加大杆体根部直径或增加杆体壁厚这两种方法。这是因为在加大根部直径的同时，也加大了杆体的迎风面积，除非根部直径的增加幅度很大，才能收到预期效果。在风速高、杆体高度大、灯盘迎风面积大的应用场合下，较为理想的方法是选用 16Mn钢，即可减小杆体的壁厚、减轻杆体的重量，又可降低制造成本。 1.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核 整个照明系统的受力分析和强度效核是一个十分有必要的过程，同时也是合理利用资源的表现。因为在整个路灯照明系统中，结构 所受的外力大部分是风力作用陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 11 在灯盘组件迎风面所产生的压力和作用在灯杆的弯矩应力。高杆照明系统的受力分析和强度效核按照整个结构的受力作用主要分为几大部分：第一部分是灯盘组件安装支架的抗风受力；第二是底座法兰的焊缝处抗拉受力；第三部分是组件安装架受力所产生在灯杆部分的结构受力，也就是灯杆部分的的受力。 1.5 本章小结 本章 对高杆灯的国内外研究状况、研究内容、研究方法作了简单的介绍。并且讨论了高杆灯壁厚、壁型的选择问题以及材料等因素对高杆灯受力、强度挠度的影响。总结了过去的研究成果，给出了本文研究的内容。 既运用 ANSYS 软件对各种载荷下的高杆灯进行有限元分析，并且研究了多重载荷下高杆灯的受力状况和强度挠度分析。通过计算得到各个部件的受力分布云图等，进一步分析来优化部件的结构和地基大小及杆壁厚薄，从而得到符合要求的最优设计。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 12 第二章 高杆灯的总体设计 2.1 灯杆设计 灯杆的整体设计时 ,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的50 年一遇的最大风速下 ,所经受到的最大风荷载作用 ,(个别地方 ,还须考虑周围气雾的影响 ) 复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯 矩 (也叫倾覆力矩 ) 及各分节杆体的力学特征 ,同时更应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数 ,以及螺栓孔中心圆的直径 ,这里必须整体把握好以下个几个主要指标： 灯杆的整体斜率 tg ,一般控制在 0. 0055 0. 007 为宜。灯盘的直径和自重越大 , tg 的值越接近上限值。 杆根处钢材的安全系数不得小于 1. 64 ,且自杆稍处向下各节的安全系数呈现 1 2 n 1. 64。 整基高灯地上部 分的重心在最大风荷载作用的位移应小于杆根处的底板半径。 上述三项指标总的体现在各节杆体的壁厚和灯杆的整体斜率 tg 上。壁厚过大 ,其实并不一定牢固。因直接造成的灯杆自重大幅度增加 ,使基础的负荷也陡增 ,同时高杆灯经受最大风荷载时的倾覆力矩也同时增大。且对制作成本、运输安装、基础建造都会带来诸多不利 ；而整体斜率过小 ,整基高杆灯稳度不够。 tg 无论过大、过小 ,还影响到整体造型的美观。所以灯杆的整体斜率 tg 、各分节杆体的壁厚 ,上、下端口径的选择是以杆高 ,灯盘的大小、重量 ,抗最大风速 ,钢材的安全系数及整基高杆灯的稳定度而决定的。我们知道的高杆灯整体强度与外形、材料等因素有关，合理调整这些因素，可以有效提高灯杆的整体强度。如灯杆截面形状可以采用阶梯式的截面体，多面棱柱，椭圆形等多种形式或加大灯杆的横截面积，减少灯盘荷载 (灯具的数量 )都以影响灯杆的整体强度。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 13 2.2 光源及灯具配置 2.2.1 光源的选择 高压钠灯的光效高，可达 120-140LM/W，寿命长 18000(国产 ) 24000(进口 )h，透雾性好，只是显色指数低 Ra=25；低压钠灯的光效也高，但国内用得少 ；高压汞灯光效低，仅 30-4OLM/W，已逐渐不用了 ；金卤灯光效高，显色指数高，但寿命比钠灯短近一半，也贵得多，所以在路灯中用得少，为提高诱导性，我认为可在重要的交叉路口用一点。 2.2.2 灯具的选择 灯具的选择应根据照明水平，眩光控制的要求和配光特性来选择。选择灯具还应注意以下几点 : 1)尽可能选择一体化灯具，即镇流器、触发器、电容器都安装在灯具内，以避免镇流器等配件被盗。最重要的是应选择配光曲线好，效率高的产品，好灯具的效率 高，好灯具每公里使用的数量在相同照明水平上要比效率差的灯具少用很多，虽单价高些，但节省了灯杆及附属设施，从节能、维修费等运行费上也可以节省，所以每公里综合造价并不会高，即性价比高。 2)防护等级要高。湖南雨量充足，雨季也长，一般应在 IP64 及以上为宜，前面的 6代表尘密，即无尘埃进人，用久了灯底部不会有一层黑一灰尘和小沙虫的沉积，后面的 4 表示防溅水，任何方向溅水无有害影响。有关防护等级的分类可见国标 GB7001-86 灯具外壳防护等级分类。 3)外壳颜色与灯杆及外部环境协调。 4)一条道路最好统一用一种型号式样的灯具， 即作到一街一景，除美观外，也起到提高方向诱道性的作用。 光源和灯具的选择是高杆照明设计的关键环节。以单基高杆灯照明为例，地面平均照度 E 由下式计算： A KUNE S 式中： S 灯具内光源的光通量； 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 14 灯具光束效率，一般取 0.30.7； N 投光灯具数量； U 投光灯具效率，一般取 0.450.8 K 维护系数，取 0.650.75； A= R2； R 投光照明半径。 2.3 灯盘及升降机构 灯盘是高杆灯的一灯之冠 ,优美得体的灯盘不仅可以减轻对灯杆的风荷载负荷 ,而且与周围建筑物的谐和也是现代化城镇的一道风景线。基于高杆灯的安装使用场合之别 ,灯盘有满足照明需求的功能型及造型各异的装饰型两类。无论哪种类型、款式的灯盘 ,从风荷载计算 ,还是使用实践来看 ,灯盘的直径能小则小 ,漏空系数能大则大。这样 ,灯盘所受的风荷载作用就小 ,对杆体和基座的威胁也小。当高层建筑所受的风荷载或外力作用时的倾覆力矩超出建筑物自重形成的稳定力矩时 ,建筑物有倾倒的危险 1。为了保证稳定力矩大于有可能的倾覆力矩 ,防止倾倒现象 ,高杆灯在设计时 ,应控制其宽高之比。为此 ,即使对于被照区域的照明半径大、照度要求高、布灯多的高杆灯 ,设计时灯盘的直径一般不要大于杆高的 1/7；当灯盘的直径大于灯杆高度的 1/6 时 ,应适当放大杆体的外径或增大杆体的斜率 tgA ,也可同时稍微增加杆根部这一分节的壁厚 。对于布灯盏数大于 20 的 (单灯功率 P1000 W),且直径在 5 m左右的又重又大灯盘 ,尽可能分解设计 ,使卷扬机提升系统只提升装置灯具的一部分灯盘 ,另一部分灯盘固定在灯杆的杆顶上 ,从而可减小提升负荷。就灯盘的造型而言 ,蘑菇形、牵牛花形、盘花形、 飞碟型等款式的灯盘成为主流。值得一提的飞碟形灯盘 ,它不仅巧妙地集功能型和视觉审美于一体 ,把照明灯具封闭在整体灯盘内 ,并有效地保护了灯具 ,且整体的流线型造型 ,使它悬挂在杆顶受到一个向上的举力 ,(此举力固然小于灯盘的重力 ),从而也减小了倾覆力矩 ,当然也减轻了杆体和基座的 负荷。由于一体化照明灯具在高杆灯上 ,为灯盘款式的设计拓展了创新的空间。其最大的优势就是灯盘结构简捷明快 ,陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 15 风荷载作用时受风面小 ,还适宜选用一体化灯具。 灯盘的升降系统是由电动机、减速机、传动齿滑轴组组成的卷扬机组。卷扬机组电动升降灯盘的过程和灯盘上照明灯具自动启闭都离不开电气控制。这两部分的自动控制电路组合在一起成为高杆灯的电器控制系统。 卷扬机的主结构见图 2-1。设计制作的指导思想为 :整机装置主杆体内 ,小巧玲珑 ,提升灯盘时力所能及且运输自如。电动机宜选择 4P慢转速的 ,因输出力矩相对快 ,转速电动机大。在选择 功率上避免大牛拉小车的的现象 ,有些高杆灯在初次提升灯盘时就发生冲顶的可怕事故 ,这除电器控制设置欠妥或失灵外 ,跟电动机功率过大也不无关系。 图 2-1 卷扬机主结构图 卷扬机的各组成机械间的动力传递则应符合传递力学的原理。即前级机械输出的力和力矩必须大于后级机械正常运作的力和力矩 ,以及损耗。利用动滑轮省力不省功的原理 ,在许可的灯盘提升时间、减速机能承受的输出力矩之内可大幅度锐减电动机的输出功率。选择具有自锁功能的减速机 ,使升降系统在运行过程中 ,因突发意外或保证灯盘在杆体的任何高度稳妥稳定便于杆体外围实施防 护处理时 ,减速机能迅速自行锁定。 电器控制及其它问题： 高杆灯内主电缆要求采用 YC 型重型橡套电缆，一般为 2根分别供应灯盘 2组电源， 一组为全夜灯，另一组为半夜灯。电缆截面一般选用 5(4) 4mm2以上；灯盘上灯具至分线盒的连接线一般选用 3(2) 2.5mm2以上 YZ型中型橡套电缆。灯盘上同时设置一只专用维修接线盒，内设专用维修电缆子母插座。高杆灯杆内电缆通过电缆陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 16 专用子母插头与电器控制盒连接，使安装维修极为方便。目前为节约高杆灯的投资费用，一般一基高杆灯只设一根电力电缆供电，电力电缆可穿管或直埋敷设接至配电房 内低压照明配电柜供电控制。杆内电器控制盒一般由：两路分别控制的电源开关、高杆灯障碍灯开关、半夜灯时控开关、专用维修插座、升降机构开关等组成。低压照明配电柜中设有光控开关。 高杆灯电源供电电力电缆因高强度气体放电灯的回路工作特点如所有光源不可能同时启动、 L 镇流或 LC 镇流的谐波成份使三相供电不可能平衡等要求采用等截面电力电缆供电。高杆灯杆顶设有避雷针与杆体及地基接地网可靠电气连接，确保防雷接地的接地电阻小于 10。 2.4 基础设计与修建 高杆灯的基础设计和修建的最根本标准是保障其在经受安装地区的最大风荷载作 用及该地区有可能发生的相当级别的地震中不发生倾倒。 高杆灯底板的地脚紧固螺栓 ,安装使用后的高杆灯在经受最大风荷载作用或相当级别的地震时尚能处于平衡状态，其时对杆根处来说，必然存在一个抗倾覆力矩 M2，且在量值上大于等于高杆灯经受到的外力倾覆力矩 M1。 设此时高杆灯所受的外力 nF ，高杆灯的重力 G。高杆灯在外力作用下产生倾覆趋势所带来的重力的分力 nG ， 基础的承受力 Q，这些力的合力 F=0。同时，高杆灯底板的地脚紧固螺栓的共同作用，产生了抗倾覆力矩 M2。且 | M2|=| M1|其合力矩 M=0。显然，地脚紧固螺栓是高杆灯在抗风荷载中维持平衡状态的主要保障。那么高杆灯基础修建，预埋地脚紧固螺栓的直径、长度、钢材的材质和预埋方式可由上述原理和关系式来测算。 高杆灯的混凝土地下基础的设计建造依据是：整基高杆灯地上部分的总重 G0，测算预计的地下混凝土基础的重量 G1，以及高杆灯在该安装现场有可能遇到的最大风荷载作用 (或相当级别的地震所引起 )的倾覆力矩 M，地下混凝 土基础所能产生的抵抗力矩 W。在量值上且 W M1。而同时兼顾的依据是高杆灯安装现场的地基承载值 P0， G1和 G0对基础底面的共同作用所产生的平均压强 P，而且 PP0。地下基础边缘有可能产生的最大压强maxP， (maxP=P+ M1W； W 基础抵抗力矩 )，且小于基础承载值 P0的 1.2 倍。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 17 例如：某高杆灯地上部分的总重量 G0=56.36 kN ，有可能经受的最大风荷载弯矩 M=555.66 mkN. (假设该地相当级别的地震引起倾覆弯矩小于 M)。地下混凝土基础的测算重量 G1=1 022.4 kN ，能产生的抵抗力矩 mkNM 74.10 ，地基承载值勘测为 90 2/mkN 。则： G0和 G1对底面积为 4.5 4.5(m2)的混凝土基础底面下地基的平均压强 P=(56.36+1 022.4)/4.52=53.27 2/mkN 90 2/mkN 。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 18 第三章 25 米高杆路灯杆灯有限元分析的建模过程 3.1 相关软件介绍 3.1.1 Solid Works 简介 Solid Works 公司成立于 1993 年，由 PTC 公司的 技术 副总裁与 CV 公司 的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（ Concord,Massachusetts）内，当初所赋予的任务是希望在每一个 工程师 的桌面上提供一套具有 生产 力的实体模型设计系统。从 1995 年推出第一套 Solid Works 三维机械设计软件至今，它已经拥有位于全球的办事处，并经由 300 家经销商在全球 140 个国家进行销售与分销该产品。 Solid Works软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由于技术创新符合 CAD 技术的 发展 潮流和趋势， Solid Works 公司于两年间成为 CAD/CAM 产业中获 利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得 Solid Works 每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在 1995-1999 年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名；从 1995 年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从 1999 年起，美国权威的 CAD 专业 杂志 CADENCE 连续 4 年授予 Solid Works 最佳编辑奖，以表彰Solid Works 的创新、活力和简明。至此， Solid Works 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速 、高效地投向了市场。 由于 Solid Works 出色的技术和市场表现，不仅成为 CAD 行业 的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在 1997 年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将 Solid Works 全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了 CAD 行业的世界纪录。并购后的 Solid Works 以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为 CAD 行业一家高素质的专业化公司， Solid Works 三维机械设计软件也成为达索 企业 中最具竞争力的 CAD 产品。 由 于使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的 Parasolid 内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术， Solid Works 成为全球装机量最大、最好用的软件。 资料 显示，目前全球发放的 Solid Works 软件使用许可约 28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 19 工业 、日用品 /消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的约 3万 1千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4， 300所教育机构的近 145， 000名学生通过 Solid Works的 培训 课程。 据世界上著名的人才网站检索，与其它 3D CAD 系统相比，与 Solid Works 相关的招聘广告比其它软件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用Solid Works，越来越多的企业雇佣 Solid Works 人才。据统计，全世界用户每年使用 Solid Works 的时间已达 5500 万小时。 在美国，包括麻省理工学院（ MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把 Solid Works 列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在 应用 Solid Works 进行教学。相信在未来的 5-8年内， Solid Works 将会成为与当今 Auto CAD 一样，成为 3D 普及型主流软件乃至于 CAD 的行业标准。 下面介绍一下 Solid works 的主要功能： 1） Top Down(自顶向下 )的设计 2） Down Top (自下向上 )的设计 3） 易用性及对传统数据格式的支持 （ 1） Solid Works 完全支持 dwg/dxf 输入输出时的线型，线色，字体及图层。并所见即所得地输入尺寸，使用一个命令即可将所有尺寸变 Solid Works 的尺寸并驱动草图，而且可以任 意修改尺寸公差和精度等。其它同类软件只能成组地输入尺寸，因而这些尺寸无法被修改和变得象在原始 系统内那样灵活，这使得其它同类软件要想利用已有工程图变得非常困难。 （ 2） Solid Works 提供各种 3D软件数据接口格式，其中包括 Iges、 Vdafs、 Step、Parasolid、 Sat、 STL、 MDT、 UGII、 Pro/E、 Solid Edge、 Inventor 等格式输入为零件和装配，还可输出 VRML、 Tiff、 Jpg 等等文件格式。 4） 零部件镜像 Solid Works 中提供了零部件的镜像功能，不仅镜像 零部件的几何外形，而且包括产品结构和配合条件，还可根据实际需要区分是作简单的拷贝还是自动生成零部陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 20 件的对称件。这一功能将大大节约设计时间，提高设计效率。而其它同类软件是没有这一重要功能的。 5） 装配特征 Solid Works 提供完善的产品级的装配特征功能，以便创建和记录特定的装配体设计过程。实际设计中，根据设计意图有许多特征是在装配环境下在装 配操作发生后才能生成的，设计零件时无需考虑的。在产品的装配图作好之后，零件之间进行配合加工比如：零件焊接、切除、打孔等功能。 Solid Works 支持大装配的装 配模式，拥有干涉检查、产品的简单运动仿真、编辑零件装配体透明的功能。 6） eDrawing Solid Works 一向以创新领先而著称，其中 eDrawing 的出现就是一个典型代表。长期以来，工程技术人员交换工程设计信息的主要方式就是二维工程图，而要读懂一张复杂的产品工程图是一件非常费时费力的事。 eDrawing 的出现使得工程师们交换设计信息变得便捷而又轻松，还是一张二维工程图，却赋予了更多的智能和信息，轻松实现二维图纸三维看，而且以三维 动画方式展现产品各个角度和剖面的细节，结构再复杂的产品也可让设计者 在几分钟内了如指掌。同时，所生成的电子文件体积小巧，便于传递。文档内还包含了免 费的浏览工具，任何人可以在任何一台装有 Windows 系统的 PC 机上进行自由地浏览，而无需任何其他软件的支持。 7） 3D 草图 Solid Works 提供了直接绘制三维草图的功能，在友好的用户界面下，象 绘制线 架图一样不再局限在平面上，而是在空间直接画草图，因而可以进行布线，管线及管道系统的设计；这一功能在主流实体造型领域内是独一无二的，而且是作为Solid Works 内置功能。 如果设计中有管线零部件， Solid Works 可直接解决问题；此外 3D 草图还可作为装配环境下的布局草图进行关联设计。其它同类软件是没有这一功能的。 8） 曲面设计 曲面设计功能对三维实体造型系统尤为重要， Solid Works 提供了众多的曲面创建命令，同时还提供了多个高级曲面处理和过渡的功能如混合过渡，剪裁，延伸和陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 21 缝合等，而且是完全参数化的；从而帮助设计者快捷而方便地设计出具有任意复杂外形的产品。 9） 动画功能 Animator Solid Works 提供了一个动画功能，它把屏幕上的三维模型以及我们所作的操作记录下来，生成脱离软件环境并可直 接在 WINDOWS 平台下面运行的动画文件。利用这些文件用户可制作产品的多媒体文件，以供设计评审、产品宣传、用户之间交流，技术协调运用。动画功能可以生成产品的装配过程、爆炸过程、运动过程的动画文件，同时也生成各个过程的组合的动画文件。 10） 渲染功能 Photo Works Solid Works 提供了产品的渲染功能，提供了材质库、光源库、背景库，可以在产品设计完成还没有加工出来的情况下，生成产品的宣传图片，同输出通过的图片文件格式如： JPG、 GIF、 BMP、 TIFF 等。用户可以通过调整软件环境下的光源、 背景和产品的材质，并在产品的一些面上进行贴图操作，可以生成专业级的产品图片。 11） Toolbox 工具箱 Solid Works 的 Toolbox 工具箱提供了建立企业库文件的工具，可以对轴承等一些通用的标准零件进行计算，提供了 ISO、 ANSI 等标准的标准件库，并可与装配环境进行自动插入。 12） 特征识别 Feature Works Solid Works 提供了特征识别的功能，它可以把其他软件的数据进分析，自动生成它识别的特征，并可进行编辑和修改 15。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 22 3.2 25 米高杆灯的主要内容和参 数 25 米高杆灯主要由杆体、地基、法兰、灯盘等部件组成。杆体采用低碳钢材料，杨氏模量 E=207 PaG ，泊松比 =0.3，密度 =7.80 103kg m3，屈服极限 235MPa ，经大型折弯机加工一次成为十二边形锥形杆，纵向焊缝采用自动埋弧焊机一次焊接，口径为 260mm- 550mm，套接长度超过管径的 1.5 倍，壁厚上节 6 mm，中节 8 mm，下节 10 mm。 高杆灯整体结构如图 3-1,其他部件如图 3-2 所示 。传动钢丝绳采用不锈钢钢丝绳，主绳 10mm，副绳 8mm。升降原理上升时在电动状态下其升降装置卷绕主钢缆通过顶部滑轮组带动副钢缆使之上升。当灯盘上升至顶端在定位装置下自动挂钩卸载。配电盘装置置于电器们内部，控制升降和照明系统。 图 3-1 25 米高杆灯整体结构示意图 (a) 灯盘 (b) 挂钩圈 (c) 法兰 图 3-2 高杆灯 部分部件结构示意图 基础为钢筋混凝土结构，按建筑地基基础设计规范 GBJ7-89 等标准设计。适用于地基承载力设计值 f 10tf/m2 和最大风力不得超过 11 级的地区，垫层厚度陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 23 150mm，钢筋保护层厚度不小于 40mm，混凝土强度等级 C25 混凝土。两根接地线20 与地脚螺栓焊接牢固，接地电阻应小于 10 欧姆。埋于地下 2.8 米处，基础顶面应高出回土表面 0.12 米。其结构如图 3-3、 3-4所示。 图 3-3 基础结构示意图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 24 图 3-4 基础结构示意图 根据平面图上的相关数据画出各部分零件的 模型图，再将各部分零件正确装配，得到如下整体图 3-5。 图 3-5 高杆灯 solid works 模型图 3.3 ANSYS软件简介 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美 国 ANSYS 开发，它能与多数陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 25 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, Auto CAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 1.软件功能简介 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 启动 ANSYS，进入画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块： PREP7（通用前处理模块）， SOLUTION（求解模块）， POST1（通用后处理模块）， POST26（时间历程后处理模块）。 ANSYS 用户手册的全部内容都可以联机查 阅。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在 .LOG 文件中列出，打开输出窗口可以看到 .LOG 文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看 .LOG 文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。 .LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由 ANSYS 自动读入并执行，这是 ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。 2.前处理模块 PREP7 双击实 用菜单中的“ Preprocessor”，进入 ANSYS 的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模： ANSYS 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 26 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。 ANSYS程序提供了完整的布尔运 算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对 CAD 模 型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分 析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。图 3-6 为高杆灯划分网格后图。 图 3-6 ANSYS 划分高杆灯网格图 3.求解模块 SOLUTION 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 27 区 的 SAVE_DB 将前处理模块生成的模型存盘，退出 Preprocessor，点击实用菜单项中的 Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 3.4 软件模型处理过程 1.用 Solid Works 根据相关数据画出高杆灯各零部件的零件图 2.用 Solid Works 正确组装各零部件得到装配图并另存为 x-t 格式 3.导入装配图到 ANSYS 4.设置灯杆的材料 -低碳钢及地基的材料 -混凝土 5.设置各部分的绑定和接 触等 6.划分网格（可根据计算机性能适当改变大小） 7.分别施加风载、雪载、风雪载情况下的各种力 8.点击 solution 进行计算 9.分别得出整体及各部件的应力、位移图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 28 3.5 25 米高杆灯的有限元模型 建立好的有限元模型如图 3-7所示。 图 3-7 25 米高杆灯有限元模型 3.6 解决的问题 在受力过程中，法兰与基础以及法兰与螺栓之间有接触，结构在受力变形过程中自身也会发生接触，结构自身变形部分之间还有摩擦作用。这些接触将是影响 25米高杆灯强度的主要地方。 1.接触算法： 接触问题也是约束 的一种类型，主要包括主从面接触、壳结构的单面接触、点面接触、自适应接触、刚性体的接 触等。上部阴影面为从接触面，下部阴影面为主接触面。 接触算法的基本原理为：在每一时间步，程序都 要检查从接触面上的所有节点，从而确定节点是否穿透主接触面。若已经穿透，则给节点施加一个沿主面法线方向的力阻止穿透的进一步发生，力的大小取决于穿透量以及主从面单元的力学性能。在每一个面上都可以施加平行于面的摩擦力，摩擦力的大小等于法向力与摩擦系数之积，方向与面的相对运动方向相反。 点面接触就是将主从面接触中的从接触面定义为若干个离散的从 节点，从节点陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 29 可以是其它单元的节点，目的就是保证这些节点不会穿透主接触面。从节点可以有摩擦或没有摩擦地在主接触面上滑动。 2.处理接触问题的主要步骤： 第一步：建立并划分模型。在这一步中，需要建立代表接触体集合形状的模型，设置单元类型、实常数和材料特性，并划分单元网格。 第二步：识别接触对。必须认识到在变形中发生接触的位置，一是已知道潜在的接触面，通过接触单元来定义它们，为了有效的计算，可使定义的区域尽量小，但必须保证所定义的接触区能模拟所有必须的接触。 第三步：制定主面和从面。一般将其中一个边界称为主面，另 一个边界就是从面。 ABAQUS 中对点面接触而言，指定主面和从面一般是根据接触部分的形状进行的。 第四步：生成接触单元。这一步是使用 ANSYS 求解接触问题比较关键的环节之一，也是与其他问题求解的不同之处。首先选择位于从面接触部位的从节点， 确定与它最接近的主节点 ， 检查与主节点有关的所有主片，确定从节点穿透主表面时可能接触的主片，确定从节点在主片上可能接触点的位置。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 30 第四章 25 米高杆路灯灯杆的有限元分析和优化设计 本章以 ANSYS 有限元分析软件，建立了单一载荷（风、雪）及多重载荷 作用下25 米高杆灯的变形、强度等的有限元模型，并进行了计算，得到了各个部件在载荷下的受力变形图、云图等。通过分析其强度找出需要加强的部件以及可以优化设计的地方，探索用有限分软件分析 25米高杆灯的方法和策略。 现对 25m 高杆灯在风载、雪载以及风载雪载共同作用下的三种典型工况进行分析。 4.1 单一载荷下的有限元分析 4.1.1 风载 25m 高杆灯的 12 支地脚螺栓完全固定，计算其在作用下的应力应变分布。在工况一下，高杆灯所承受的载荷有以下几部分组成： a自重力。重力加速度取为 2/m8.9 s 。 b风载。 对灯具及杆身表面受风的载荷按 50 年一遇 50m 高度风压载荷计算（建筑结构荷载规范 GB50009_2001）。544N620m1950m0.00045M Pa1 AF 灯具 ，考虑到实际情况，水平风载取为 510N；2AF 杆身。 图 4-1 4-6 是风载作用下， 25m 高杆灯的应力场和位移场的分布云图。 图 4-1 高杆灯整体应力、位移云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 31 图 4-2 1、 2、 3节灯杆应力云图 图 4-3 1、 2、 3灯杆 位移云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 32 图 4-4 法兰应力云图 图 4-5 垫片应力云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 33 图 4-6 灯座应力云图 由以上应力云图可知在风载作用下高杆灯的变形主要发生在垫片及灯杆的根部，最大应力为 96.973MPa，在垫片处。 3节灯杆应力最大值由上往下递增，应力不是很大，灯座应力较小，法兰应力中等。最大位移为 174.1mm，发生在第一节杆处，地基及灯杆其他地方的应力及位移都较小，基本上可以忽略。 4.1.2 雪载 25m 高杆灯的 12 支地脚螺栓完全固定，计算其在作用下的应力应变分布。在雪载下，高杆灯所承受的 载荷有以下几部分组成： a自重力。重力加速度取为 2/m8.9 s 。 b灯具表面覆盖的积雪对杆身的载荷。对灯具表面覆盖的积雪载荷按 50 年一遇 50m 高度雪压载荷计算（建筑结构荷载规范 GB50009_2001）： 1 2 4 8 N1 2 8 0 m m*1 9 5 0 m m*0 . 0 0 0 5 M P a AF 雪 考虑到实际情况，灯具表面覆雪载荷取为 1200N。图 4-7 4-11 是在雪载作用下，25m 高杆灯的应力场分布情况。 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 34 图 4-7 高杆灯整体应力云图 图 4-8 1、 2、 3 节灯杆应力云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 35 图 4-9 各灯杆位移云图 图 4-10 螺栓应力云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 36 图 4-11 灯座应力云图 由这些位移和变形图可知，在雪载下高杆灯的最大位移和最大应力均出现在灯具处，最大应力为 39.486MPa，除了第一节灯杆应力较大，二、三节灯杆应力很小，螺栓处应力也比较大。最大位移为 1.621mm，地基和杆体的变形位移都很小，由雪载引起灯杆的应力和位移基本可以忽略。 4.2 多重载荷下的有限元分析和优化设计 4.2.1 有限元分析 在 风雪载荷下，路灯所承受的载荷有以下几部分组成： a自重力。重力加速度取为 2/m8.9 s 。 b风载。 对灯具及杆身表面受风的载荷按 50 年一遇 50m 高度风压载荷计算（建筑结构荷载规范 GB50009_2001），544N620m1950m0.00045M Pa1 AF 灯具 ，考虑到实际情况，水平风载取为 500N；2AF 杆身。 c灯具表面覆盖的积雪对杆身的载荷。对灯具表面覆盖的积雪载荷按 50 年一遇 50m 高度雪压载荷计算（建筑结构荷载规范 GB50009_2001），陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 37 1 2 4 8 N1 2 8 0 m m1 9 5 0 m m0 . 0 0 0 5 M P a AF 雪 ，考虑到实际情况，灯具表面覆雪载荷取为 1176N。图 4-12 4-17 为风雪载荷下 25m 高杆灯的应力位移场分布云图。 图 4-12 高杆灯整体应力、位移云图 图 4-13 1、 2、 3 节灯杆应力云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 38 图 4-14 1、 2、 3 节灯杆位移云图 图 4-15 法兰应力云图 陈阳 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 39 图 4-16 垫片应力云图 图