（电气工程专业论文）高速铁路弓网动态受流仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：受电弓一接触网系统的动力学性能直接影响受电弓的受流质量和机车的运行 可靠性。随着列车速度的提高，接触网与受电弓之间的动态接触变得越来越复杂， 高速状态下稳定受流出现了很多问题。通常对受电弓一接触网系统的研究主要集中 在动态性能，如对弓网接触力的分析，对参数和结构的研究，对接触线磨损的研 究等等。 本文基于非线性有限元理论，建立了高速铁路弓网动态系统的有限元耦合模 型，模型中接触网各部件均采用欧拉一伯努利直梁来模拟，受电弓弓头和上框架、 上下框架之间采用铰链和非线性弹簧相互连接模拟，借助m a r c 软件的后处理功能 对影响高速铁路弓网受流性能的主要弓网参数( 接触线截面、张力、结构高度、 弓头弹簧等) 进行了动念仿真分析，分析过程均是设定其他参数变量不变的情况 下目标参数的变化对弓网受流性能造成的影响，通过仿真结果的分析得到一些有 用结论。 以京津城际高速列车弓网动态系统为实例，建立与实际参数统一的有限元模 型，借助仿真软件从接触线动态接触力、动态抬升量、弓网离线率等方面对该弓 网性能情况进行仿真，得到一系列动态接触力、抬升量随时间变化的历程图，结 合西门子公司提供的仿真结果及京津城际现场的测试结果表明，本文建立的有限 元模型和计算方法是正确和有效的，同时也表明京津城际具有良好的动态受流质 量。 关键词：高速铁路；弓网系统；动态受流；京津城际；m a r c ；有限元仿真 一 丝璺堡垒塑一 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ep a n t o g r a p h - c a t e n a r ys y s t e ma f f e c t s d i r e c t l yt h eq u a l i t i e so ft h ec u r r e n tc o l l e c t i o na n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e l o c o m o t i v e m o v e m e n t w i t ht h el o c o m o t i v er u n n i n gs p e e di n c r e a s e d ，t h ed y n a m i c a lc o n t a c t i n g n 】m sm o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dl e a d t oal o to fp r o b l e m sa b o u t s t a b l e c u r r e n t - c o l l e c t i o n t h es t u d yo np a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m 1 s m a i n l y f o c u so n d y n a m i cb e h a v i o r , s u c ha sa n a l y s i so ft h ec o n t a c tf o r c e ，s t u d yo fp a r a m e t e r sa n d s t r u c t u r e ，i n v e s t i g a t i o no fw e a r , e t c b a s e do nt h en o n l i n e a rf i n i t ed e m e n tt h e o r y ( f e m ) ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ep a n t o g r a p h c a t e n a r yd y n a m i cs y s t e mo fh i g h - s p e e dt r a i nh a sb e e ne s t a b l i s h e di n t l l i st h e s i s i nw h i c hm o d e lt h eh i g h l yn o n l i n e a rf l e x i b l ec a t e n a r yi sm o d e l e db y f l e x i b l e b e a ma n dt h ep a n t o g r a p hi sm o d e l e db yh i n g ea n dn o n l i n e a rs p r i n g s t h ed y n a m i c c u r r e n t c o l l e c t i n gp e r f o r m a n c eo ft h i sp a n t o g r a p h - c a t e n a r ys y s t e mo fh i g h s p e e dt r a i n h a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n gm a r cs o f t w a r e ，t h ed y n a m i cc o n t a c tp r e s s u r e ， l i f t - u pd i s p l a c e m e n ta n dt h eo f f - l i n er a t i oa r ea l lc a l c u l a t e da n da n a l y z e d a n a l y s i s i s t h a tt h ep e r f o r m a n c er e s u l t so fp a n t o g r a p h c a t e n a r yc a u s e db yc h a n g e dt a r g e tp a r a m e t e r w i t ht h eo t h e rp a r a m e t e r su n c h a n g e da n dg e ts o m eu s e f u lc o n c l u s i o n st h r o u g ht h e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s t a k ep a n t o g r a n p h - c a t e n a r yd y n a m i cs y s t e mo fb e i j f i n g - t i a n j i ni n t e r - c i t ye x p r e s s a s a l le x a m p l e ，e s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lw h i c ht h em o d e lp a r a m e t e r sa r et h es a m e w i t ht h ea c t u a l p a r a m e t e r s ， u s i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r e t os i m u l a t et h e p a n t o g r a n p h - c a t e n a r yd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h es i m u l a t i o ni n c l u d e ss u c ht h r e ea s p e c t s 弱d y n a m i cc o n t a c tf o r c eo ft h ec o n t a c tl i n e ，d y n a m i cu p l i f ta n dt h eo f f - l i n er a t i oo f p a n t o g r a n p h c a t e n a r y t h e ng e ts e r i e so fp r o c e s sm a p f o rd y n a m i cc o n t a c tf o r c e ，u p l i f t w h i c hv a r yw i t ht h et i m e c o m p a r i n gw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d e db ys i e m e n s a i l dt h ef i e l dm e a s u r er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l a n ds i m u l a t i o n a p p r o a c hp r o p o s e di nt h i st h e s i sa r ec o r r e c ta n dc r e d i b l e ，t h er e s u l t sa l s os h o w t h a tt h e d y n a m i cc u r r e n t - c o l l e c t i n gp e r f o r m a n c e i sp e r f e c t k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ；p a n t o g r a p h - c a t e n a r ys y s t e m ；d y n a m i c c u r r e n t - c o l l e c t i o n ；b e i j i n g - t i a n j i ni n t e r - c i t ye x p r e s s ；m a r c ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 北京交通人学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇周刁、飓签字慨 5 8 引月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：周 签字日期： 者、朋 铂歹 | 导师签名： 签字醐一7 年 石月上7 日 l 致谢 本论文的工作是在我的导师吴俊勇教授的悉心指导下完成的，吴俊勇教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴俊勇老师对我的关心和指导。 吴俊勇教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴俊勇老师表示衷心的谢意。 郑积浩工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，田建伟、吴燕、杨嫒、龚廷志、刘晓民、宋 洪磊、黄鹏洲等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 研究背景及意义 1绪论 电力机车是十分重要的交通工具并以其运量大、速度快、能耗低、污染小、 运价廉和安全可靠等优点，成为高速机车中的主力军。 目前我国高速铁路的发展十分迅速，2 0 0 7 年，中国首条高速铁路一京津城际轨 道交通客运专线完成铺轨，它不仅是中国现代化铁路建设的一个开端，也是中国 真正掌握世界最先进的高速铁路建设技术的里程碑。2 0 0 8 年，中国高速铁路建设 步伐加快，不仅引人注目的京沪高速铁路开始兴建，广深港高速铁路、京石高速 铁路客运专线、南宁至广州高速铁路等等一大批高速铁路建设工程都开始动工。 未来为满足快速增长的旅客运输需求，将建立省会城市及大中城市间的快速客运 通道，规划“四纵四横 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客 运专线1 2 万公里以上，客车速度目标值达到每小时2 0 0 公里及以上，可见我国 真正意义上的高速铁路时代已经到来，其蓬勃发展必然需要更多的专业人员加入 到高速铁路技术研究当中。 电力机车是通过受电弓从接触网获取电能，并驱动牵引电机运行的。受电弓 弓头的滑板与接触线接触，相对滑动，从接触网上取下电流，输送给电力机车， 这一过程称之为受流。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流的重要条件， 在此过程中受电弓与接触网在电器和机械两方面相互制约、相互依赖。通常受流 质量受很多因素的影响n 州，如接触网的弹性系数、接触线的坡度、接触悬挂类型、 接触线材质、接触网的结构高度、受电弓静提升力、滑板材质、弓头刚度值以及 列车运行速度、加速度、车辆类型和线路条件等。随着电力机车运行速度的提高， 弓网间的动态性能越来越差叫1 ，尤其是弓网之间的接触压力变化幅度增大，当接 触力过小时，接触电阻增大，将不能保证可靠受流，当接触力等于零时，就出现 离线现象。一旦出现离线，会使弓网接触中断，从而产生不良的后果，如：( 1 ) 离 线的瞬间会产生电弧放电，烧蚀接触线和滑板接触面，使受流更加恶化，同时增 加两者间的电器腐蚀，缩短了工作寿命。( 2 ) 对附近的通讯线路产生干扰。( 3 ) 大 离线和连续离线会使电力机车的正常供电受到破坏，并可能导致车内电子元件破 坏。 因此研究解决受电弓在接触网下的高速受流问题，研究受电弓的运动学特性 和动力学特性十分重要，只有这样才能使电力机车从接触网上可靠地获取电力能 北京交通大学硕士学位论文 源。但是我国在受电弓和接触网动态性能的研究方面起步较晚，在2 0 0 k m h 以上 的高速线路上所应用的大部分还是进口产品。因而，针对高速铁路弓网关系的特 点，在理论上建立较合理的受电弓一接触网系统模型，研究高速弓网的动态受流 问题成为发展我国高速铁路的当务之急。 1 2 接触网结构介绍 接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，主要 由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础四部分组成。其中接触悬挂由接 触线、吊弦、承力索以及连接部件等构成，它通过支持装置架设在支柱上，其功 用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车；支持装置包括斜腕臂、水平拉 杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备，用以支持接触悬 挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物，这根据接触网所在区间、站场和大型建 筑物而有所不同；定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置， 使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触 线的水平负荷传给支柱；支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部 负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触网中采用预应力钢筋 混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土 制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性；预应力 钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。 接触网按接触悬挂的类型来区分，一般有简单接触悬挂和链形接触悬挂两大 类。下面将对这两种悬挂形式的接触网加以介绍： ( 1 ) 简单接触悬挂：简单接触悬挂( 以下简称简单悬挂) 系由一根接触线直接固 定在支柱支持装置上的悬挂形式。该悬挂方式较为简单，支持装置和支柱所承受 的荷载较轻，支柱高度要求较低，因而建造费用比较经济，且施工方便及维修简 单。但缺点是弛度大，弹性不匀，不利于电力机车高速运行时受流的要求。过去 简单悬挂只用于在机车运行速度较低，取流较小的线路，如机车出入库线、厂矿 企业内的直流电气化铁路和其它临时铁路中。但是在干线上有隧道高度限制时也 可采用简单悬挂。由于隧道内设置悬挂点比较方便，可适当缩短跨距，从而使上 述问题得到改善。高速铁路通常不采用这种悬挂方式。我国现采用的带补偿装置 的弹性简单悬挂系统时在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力和弛度 的变化；在悬挂点上加装8 1 6 m 长的弹性吊索，通过弹性吊索悬挂接触线，这就 减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件；另外也通过适当缩小跨距，增大 接触线的张力去改善弛度对取流的影响。 2 绪论 ( 2 ) 链形悬挂：链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂 于支柱的支持装置上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，利用 调整吊弦长度，使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减 小了接触线在跨距中间的弛度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定 性，可以满足电力机车高速运行受流的要求。链型悬挂有多种形式，有单链 形、双链形和多链形等。其中简单链型悬挂如图1 1 ( a ) 所示由一条接触线 和一条承力索以及它们之间若干根吊弦组成。这种链型悬挂的弹性，决定于 跨距、接触线和承力索的张力。采用一条接触线和传统拉应力的链型悬挂， 其跨中弹性范围为0 15 至1 5m m n ，当然其跨中和悬挂点处的弹性差别很 大，悬挂点处的弹性只能达到跨中弹性的3 0 至5 0 左右。 弹性链型悬挂，如图1 1 ( b ) 所示，仍为单链型悬挂的一种，跨距以及 承力索和接触线的张力也决定其弹性，跨中弹性值为o 5 至1 2 m m n ，应 对辅助承力索的长度和张力进行优选，致使悬挂点处的弹性达到跨中弹性的 8 0 ，这是高速行驶性能所要求的。 图1 1 ( c ) ( d ) 所示为复式链型悬挂结构形式，这种悬挂形式是在承力 索和接触线之间另加一条辅助承力索，它使弹性大大降低。在6 5 m 跨距时， 跨中弹性可在0 2 5 至o 4 m m n 之间，日本在新干线上就经常采用这类悬挂 形式。 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 丽 “ 卜 坼lh 忻 口m n ( a ) 简单链型悬挂( b ) 弹性链型悬挂 ( c ) 简单双链型悬挂 ( d ) 弹性双链型悬挂 卜接触线；2 一承力索；3 一简单支柱吊弦； 4 一弹性吊弦；5 一辅助承力索； 3 北京变通人学硕十学位论文 目li 接触悬挂示意幽 f i gi ls c h e m a t i c d i a g r a mo f o v c r h e a ds u s p e n s i o n 1 3 受电弓种类介绍 受电弓是1 个弹性结构装置，它山升弓弹簧保持弓头滑板与接触导线的接触。 弓网系统中要保持良好的受流特性，除了接触网的参数外，还必须有性能良好的 受电弓柬配合。各国在发展高速电气化铁路的过程中，相继丌展了对高速受电弓 的研究。近2 0 年柬研制了不少类型的高性能受电弓，取得了很人的效益。以r 将 简要介绍一下各国不同类型结构的受电弓： 131 法国t g v 型受电弓 基于受电弓特性与受流的芙系，法国t g v t ”i 采用了轻型两级式( 双层) 的a 型( 单臂) 受电弓，受电弓的整体质量约3 0 0 垤，上部的动质量约1 3 船( 在2 6 0 k m h 时) ，静抬f l 力为7 0 n ，动抬升力为1 8 0 n ( 在2 f i 0 , n h 时) 。堂流区段用台受 电弓，最大电流0 6 k a ，直流区段用双弓，最大电流1 k 4 。目前在巴黎一里昂线 使用的是铡滑板受电弓；大西洋线采用紫级受电弓，这是由于两级式受电弓的扬 力特性不好，当抬升力过大时，线路的磨损就增加了。卜图1 2 为t g v 型某受电 弓： _ _ 。： r 4 12 t g v 受电弓 绪论 1 3 2 德国受电弓伽 f i g1 2p a n t o g r a p ht g v 德国i c e 高速列车用d s a - 3 5 0 型受电弓，整体质量1 4 0 k g ，接触压力为 5 0 - 1 3 0 n ，驱动方式是气动升弓，有阻尼的降弓。滑板采用铁制的弓头焊碳滑板， 形成一个整体，更换时一体更换，寿命很长，更换周期通常1 5 1 0 4 a n ，在条件 恶劣情况下也可达6 5 1 0 3 o n ，不涂石蜡或黄油。最大允许电流0 8 k , 4 ，瞬时为 1 3 m ，最高运行速度2 8 0 k m h ；d s a - 3 5 0s 受电弓是在d s a - 3 5 0 受电弓的改进型。 d s a 一3 5 0 s 型受电弓与i c e i 型列车运行，运行速度2 5 0 k , n h ；d s a - 3 5 0s e k 型又是 d s a 一3 5 0 s 的改进型，仅1 0 6 k g ，装有自动降弓装置，受电弓的滑板运行效率较高， 在i c e 牵引中每块滑板可以运行1 2 1 4 万公里。d s a - 3 8 0 d 和d s a - 3 8 0 e 与新一代 高速列车i c e3 一起使用，运行速度达3 3 0 k m h 。 s b s 6 5 型单臂受电弓在试验线上与r e 2 5 0 接触网配合使用，运行速度为 2 5 0 o n h ，测得最大接触压力为1 6 5 2 2 5 n ，平均值为8 2 8 9 ，在同样区段和试 验条件下速度为1 6 0 k m h 时，测得最大接触压力值1 2 5 n ，平均值为4 6 5 0 。对 离线来说，s b s 6 5 型受电弓在2 0 0 a n h 运行速度下，离线为每公里2 次，离线时 间为9 1 t s m 。该型号的受电弓体积小，重量轻，维护费用低，并具有较好的空气 动力学性能。 1 3 3 日本p s 系列受电弓1 5 1 日本对受电弓的研究主要是针对衡量受电弓好坏的主要指标之一离线率进 行，受电弓的改进始终都是为了降低离线率。使离线率减小的主要措施是减小受 电弓顶部的归算质量。日本国铁采用p s 系列和a m l 8 型受电弓。其中p s l 3 和p s l 6 受电弓为弹簧升弓，弓头数量为2 ，归算质量分别为3 2 0 k g 和1 7 4 蛔；p s l 7 和p s l 0 0 受电弓为空气升弓，弓头数量分别为2 和1 ，归算质量分别为2 0 0k g 和1 4 0 k g ；p s 2 0 0 型受电弓在日本新干线应用，为弹簧升弓，归算质量分别为1 0 8 k g ；a m l 8 型受电 弓为z 型框架结构，应用于法国国铁。 综合国外几种受电弓的参数性能比较见下表i - i 。 表卜1 国外受电弓性能比较 t a b i - ip e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ff o r e i g np a n t o g r a p h 5 北京交通人学硕十学位论文 1 3 4 国内电力机车受电弓介绍n 5 ，2 朝 我国自行研制的受电弓主要有t s g4 0 0 2 5 0 和t s g 36 3 0 2 5 型。t s g4 0 0 2 5 0 型号受电弓额定电压2 5 k v ，最高运行速度1 0 0 k m h ，额定电流4 0 0 a ，额定工作 气压5 0 0 k p a ，最小工作气压4 5 0 k p a ，最大升弓高度大于2 6 m ，工作高度 o 5 2 5 m ，在工作高度范围内，滑板对接触导线的静压力7 0 士1 0 ，上升和下 降到同一高度的压力差小于1 0 ，升弓时问小于8 j ，降弓时间小于7 s ，重量2 4 8 堙，主要应用在s s 7 型电力机车。而嬲g6 3 0 2 5 型是以法国f a i v e l e y 公司的 a m s1 u f 型受电弓为基础的国产化产品，为满足1 6 0 k m h 的运行速度要求，该受 电弓底座上安装有2 组升弓弹簧和1 付受电弓阻尼器，升弓弹簧和阻尼器的另一 端均安装在铰链机构的下臂杆上。缓冲阀通过控制进、出传动风缸的压缩空气流 量来控制受电弓升、降弓动作的快慢。下图1 3 为我国自行研制的一正在试验中 的受电弓： 6 圈13 试验中的受电弓 f i 9 1 3t h e p a n t o g r a p h i a t c 6 t l n g 1 4 弓网动态受流的研究现状 弓网受流过程是一个动态过程，包括了多种机械运动型式和电气状态变化， 接触网一受电弓系统的理想运行是弓网可靠接触、无离线、无火花，机车不问断 从接触网上获得电能的重要保证。通常改善弓网受流的性能主要从两方面展开， 一是提高受电弓自身动态特性，二是改善接触网特性。事实上，受电弓和接触网 相互耦合，相互作用，只有很好的处理二者关系，研究其相互作用机理，才有可 能从根本上提高机车受流质量。自从上个世纪5 0 年代以来，国内外专家就开始了 弓网动态受流的研究工作并取得了一定成果。文献 1 6 ，1 7 从弓网系统的动态特 性、接触线波动速度、离线率等方面研究了受流理论。于正平”等分析了高速电 气化铁路弓网系统稳定受流的发展，并对高速列车的空气动力学进行研究。文献 1 9 从提高接触网弹性均匀分布方面入手，提出改善弓列系统受流的一些措施。 文献 2 0 一2 3 研究了高速电气化铁路接触网的悬挂型式及相关参数，对影响动态受 流特性进行了理论探讨及分析。研究表明，接触线的波动速度对实际列车的运行 速度有制约关系：从接触悬挂的结构及工艺精度上，解释了接触线反射因数及增 强因数的机理。文献 2 4 研究了列车流线外形与气动性能的关系、隧道一列车耦合 空气动力特性，介绍了研制流线形列车车体的成套技术及全面推广应用情况。文 献 2 7 利用仿真工具建立了高速受电弓框架结构的几个关系模型，从列车平稳受 j t 京交通九学硕+ 学位论文 流对受i b 弓的要求及弓头平衡牛t 平动入手，对使受乜弓性能达到最优的几何参数 进行了分析研究并明确优化方法在受电弓设计中的作用。 15m a r c 软件介绍 151m a r c 简介 m a r c 是美国m s cs o f t w a r e 公司的非线性有限元分析求解器，它的图形界面为 m e n t a t ，其有5 部分组成：动态菜单、静态菜单、对话框、状态显示和绘图区，如 图14 ： m s cm a r cm e n t a tj r 3 0 s r 2 ( 3 2 b i t ) ( o p e n g l ) ：m o d e l 4m u d 一口 图14m a r c 软件显示界面 f i g1 4 d i s p l a y w m d o w o f s o f t w a r e m a r c 各部分主要功能如下； 动态菜单：电称主菜单，共有四部分组成：生成有限元网格，交互式输入边界条 件、材料参数、几何参数、初始条件、接触条件、定义载荷工况等， 进行有限元数值分析和计算，显示计算结果，进行后处理。 静态菜单：主要是一些常用的快捷选项，用的最多的是d y n m o d e l 、f i l e s 、u n d o 、 v i e v 、p l o t 、s h o r t c u t s 等。 对话框：对话框支持键盘输入，约5 行可见的滚动区，在这个区旱，将显示所 绪论 有的程序提示、警告和应答，用户可以输入数据和命令。这个部分的 显示信息十分有用，不论哪个部分出现了m e n t a t 可识别的命令，这里 都会有显示，甚至可以直接复制进行修改。 状态区：这里留作向用户传递程序的状态，在状态区里会出现w o r k i n g 、r e a d y 和d r a w i n g 三个状态。 绘图区： 模型操作及显示区。 m a r c 软件是处理高度组合非线性结构、热及其他物理场和耦合场问题的高级 有限元软件，其突出特点是它的非线性分析能力。m a r c 软件可以处理来自材料、 几何和边界条件这三类来源的非线性问题。实际的非线性问题往往不只简单的出 现一种非线性，而是同时出现材料、几何和边界非线性的组合，对于这种情况， m a r c 采用非线性方程组，数值解法、接触迭代以及自适应时间载荷步长选择，来 确保快速求解非线性问题。 1 5 2m a r c 在接触分析中的应用 接触是一种普遍存在的自然现象，属于非线性约束问题。工程实践中，大多 数物体之间的相互作用通过接触实现，在金属及塑料的加工、密封圈的密封、轴 承分析、铁轨分析中分析接触问题更是关键所在。如果m a r c 能够很好地、高精度 地求解接触问题，就会使这些问题的分析变得非常方便、灵活。用户不需要具备 非常专业的理论知识，自己建立和推导问题的数学模型，编制和调试相应的有限元 程序，只需在m a r c 软件中建模、划分网格、加载边界条件等就可方便的得到所需 结果。 一 数学上描述接触问题的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法、直接约束法。与 这三种方法相对应，m a r c 软件提供了处理接触问题的三种算法：基于拉格朗日乘 子法或罚函数法的接触界面单元、基于罚函数方法通过用户子程序施加非线性弹 簧、基于直接约束的接触算法。 直接约束法追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发生接触，便将接触所需的运 动约束( 法向无相对运动，切向可滑动) 和节点力( 法向压力和切向摩擦力) 作为边 界条件直接施加在产生接触的节点上。这种方法对接触的描述精度高，具有普遍 适应性，不需要增加特殊的界面单元，也不涉及复杂的接触条件变化，但由于接 触关系的变化会增加系统矩阵带宽。基于直接约束的接触算法是解决所有接触问 题的通用算法，特别是对大面积接触，以及事先无法预知接触发生区域的接触问 题，程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域，施加接触约束。 其独特之一是接触体的定义十分简洁，完全抛开了目前其它软件采用的定义接触 9 北京交通人学硕士学位论文 单元或接触点对的繁杂过程，这是m a r c 在处理接触问题时最常用的方法。 m a r c 在接触分析中提供了四类接触体：可变形接触体、刚性接触体、允许传 热的刚性接触体、对称面。m a r c 可以分析各种接触体之问的接触，而且不限接触 体个数，对多接触体之间的可能接触关系用接触表定义。对接触分析中的摩擦问 题，m a r c 提供了两种模型：库仑摩擦、剪切摩擦。接触问题的算法流程包括：( 1 ) 定义接触体；( 2 ) 探测接触；( 3 ) 施加接触约束；( 4 ) 模拟摩擦；( 5 ) 修改接触约束； ( 6 ) 检查约束的变化；( 7 ) 判断分离和穿透；( 8 ) 热一机耦合分析。接触分析结果可 以显示接触压力、接触摩擦力以及接触面积，对刚性接触体，还能提供刚性接触 体上的接触合力、合力矩及其变化历程曲线。 1 6 论文主要内容及章节安排 本文通过仿真分析了一些主要弓网参数对弓网动态受流的影响，并以实际京 津城际高速弓网为实例建立相应有限元耦合模型并仿真分析得出相应结论。 第l 章主要介绍本文的研究背景及意义、接触网及受电弓种类、弓网动态受 流的研究现状和软件m a r c 。 第2 章介绍了接触网模型分析的发展历程、几种典型的接触网分析模型以及 具体的软件m a r c 建立接触网的有限元模型工程，。 第3 章介绍了受电弓几种典型的分析模型及优劣性比较并在最后说明用软件 m a r c 建立受电弓的有限元模型的过程。 第4 章主要内容是从软件m a r c 的仿真入手分析了接触导线截面尺寸、接触线 和承力索的张力、接触悬挂的结构高度和受电弓弓头弹簧刚度等参数对弓网系统 动态性能的影响，并得到一些结论。 第5 章综合本文和西门子公司的仿真结果对实际运营的京津城际高速弓网的 动态受流状况进行一个比较全面的评估。 第6 章对全文进行总结，概括本文的不同弓网参数对受流的影响及所得到的 结论和统计结果，并对今后弓网受流的研究提出展望。 1 0 接触网的有限元建模 2接触网的有限元建模 2 1 接触网的有限元分析 2 1 1 有限元理论简介 有限元法是一种求解连续介质力学问题的数值方法，对于解决复杂结构静力、 动力问题也是一种非常有效的分析方法，其求解精度可满足工程上的需要。有限元 的实施可分为三步：( 1 ) 将整体结构或其中一部分简化成为理想的数学模型。用离散 化的网格代替连续实体结构；( 2 ) 分析计算结构的受力、变形及特性；( 3 ) 将计算结 果进行整理归纳。一般说来第一步和第三步的工作量最大。一个有限元程序的好坏， 在很大程度上取决于前后处理功能是否强大。对于前处理而言，要根据计算目的和 所关心的区域。将结构模型化、离散化。这样就必须给出以下信息： ( 1 ) 节点空间位置( 坐标值) ； ( 2 ) 单元与节点的连接信息； ( 3 ) 结构的物质特性和材料参数； ( 4 ) 边界条件或约束。 对每分析一个问题都要准备上述数据，而对于较大的结构则要准备成千上万的 数据。用人工完成这项工作是非常繁琐的，而且错误在所难免。近年来由于高速度、 大容量计算机的出现，为有限元技术广泛应用于大型工程结构创造了良好条件，而 有限元理论的不断完善又开拓了有限元分析方法的应用领域。有限元法的基本指导 是：以实际结构进行分析，其边界条件和约束处理不仅方便，而且越来越逼近于工 程实际。 2 1 2 接触网的有限元分析说明 接触网系统是一个十分复杂的空间杆件系统，有限元法能针对接触网的实际 结构边界条件及约束特性进行定量的分析计算，为设计提供丰富的、反映实际工 况的计算结果，并可配有丰富的动态图形显示功能。因此在对接触网的结构设计 计算及应力分析中，为了充分利用到有限元法的优越性，可以利用一些优秀的非 线性有限元分析软件对接触网的结构先进行计算机三维建模，并在此基础上对零 部件及接触网支持结构的应力进行有限元分析，直观、量化清晰地看到接触网零 件及接触网支持结构在外力分布作用下的应力分布，避免以往对接触网各部件及 北京交通人学硕+ 学位论文 接触网结构在外力作用下的应力分布一直做经验性分析，而定量分析很少的缺陷。 2 2 国内外接触悬挂的几类典型模型 接触网是由接触线、承力索等组成的以跨距为周期重复出现的连续系统，受 流过程就是指受电弓以一定的抬升力与接触线进行滑动接触，从接触线上取得电 流并传送给电力机车的过程，在此过程中由于受电弓的抬升作用会使接触悬挂发 生振动。在高速弓网受流的仿真研究方面，世界各国虽然在研究对象及研究目标 上都是一致的，但构造物理模型的思路和研究方法却不尽相同，其中具有代表性 的也是应用最多的是日本m a n a b e 的集中质量模型和美国v i n a y a g a l i n g a m 的欧拉 粱模型3 别。下面将分别进行简要概述： ( 1 ) 集中质量模型 该模型是采用软索且把接触线和承力索分成连续的质点，把接触点的移动当 成是质点的移动，把接触线和承力索的连续质量转换为性质相同且具有一定距离 的质点质量，把悬挂点看成是一个有一定弹性性能的固定点，其接触悬挂的物理 模型如图2 1 ： ( a ) 简单链形悬挂 ( b ) 弹性链形悬挂 1 2 接触网的有限元建模 ( c ) 复式链形悬挂 图2 1 接触悬挂的集中质量模型 f i g2 1c o n c e n t r a t e dm a s sm o d e lo fo v e r h e a ds u s p e n s i o n 构造模型的思路体现了下述一些基本观点：1 ) 全部分布质量设为集中质点， 对于接触线，将吊弦点和吊弦中间点设为集中质点，对于承力索，仅考虑设吊弦 中间点为质点；2 ) 吊弦将承力索和接触线连接在一起，吊弦本身没有质量和变形； 3 ) 承力索、接触线在吊弦点，质点位置是铰接状态，其余各处看成没有质量的棒 条；4 ) 整个系统的变形发生仅发生在上下方向，而其他方向没有位移。 ( 2 ) 欧拉梁模型 该类模型是由承力索、接触线和分布于任意位置的弹性吊弦及支柱吊弦组成， 把接触悬挂当成一根两端加有张力的梁来研究，模型中考虑了每条线的张力、质 量、驰度、阻尼等因素，因此必须涉及到抗弯刚度。虽然这种抗弯状态被限制在 弓网接触点附近的小区域内，但仍然使数值分析变得十分复杂。尽管如此，采用 两端受有张力的梁的模型，与集中质量模型中采用的软索相比具有不可替代的优 点。当列车速度接近波动传播速度时，软索模型和梁模型的求解结果有很大差异。 因为在运动点的接触压力影响下，软索模型在接触线出现坡度时表现出不连续性， 这与实际接触悬挂的物理特性不符；采用软索模型在运动速度较高时，其振动波 在传播中遇到吊弦及定位器等集中质量的点时，会产生反射，对受流产生不利的 影响。因而采用梁模型的接触悬挂在进行弓网系统相互作用的高频分析中，对于 分析诸如运动载荷、大位移和复杂边界条件的大型接触网来说，分析精度得到显 著提高，结果更加接近实际。本文下面所建的接触网模型也是基于这种理论，详 细内容后面论述。 另外还有英国的s c o t t 和r o t h m a n 研究的类集中质量模型，这种接触网模型 中的每个吊弦点和悬挂点有一个集中质点，在每对相邻吊弦之间( 或吊弦与悬点 之间) 的集中质点尽可能均匀分布：德国l i n k 的“与频率相关的有限元模型， 该模型基于受电弓与接触悬挂共同作用的力为研究对象，用与频率有关的有限元 发建立方程和运算，同时接触悬挂可作为平面等效系统。 1 3 北京交通人学硕七学位论文 2 3 接触网的m a r c 有限元建模 2 3 1 高速接触网建模时的仿真假设 实际的接触网系统是一个非常复杂的振动系统，要从理论上完全真实地反应 实际悬挂系统的振动特性是十分困难的，因此在进行理论分析时，为抓住问题实 质，必须对整个接触悬挂系统进行简化，本文应用m a r c 建立了简单链形悬挂型式 接触网的有限元模型，在建立模型分析时做了以下一些近似假设： ( 1 ) 由于横向振动对弓网的接触影响很小，本文只讨论接触网的垂向振动； ( 2 ) 承力索、接触线、吊弦等均简化为具有抗弯刚度、张力以及线密度的欧拉梁。 ( 3 ) 承力索、接触线、吊弦等质量视为均匀分布，分布与接触悬挂上； ( 4 ) 接触网锚段之间相互独立，对于锚段连接部分，它们的端点可简化为固定铰链 连接。 ( 5 ) 不考虑风速等瞬时负载，同时暂不考虑空气动力的影响。 2 3 2 简单链形接触悬挂的有限元建模说明 本文建立的简单链形悬挂的模型是依据京津城际的实际接触网参数建立，总 共建立了6 个跨距、7 个支柱的有限元模型，每个跨距的距离均是4 8 米。接触线 距地面高度是5 3 5 米，“之 字值为o 3 米。在建立有限元模型过程中为了加快 效率，对相同的悬挂部分采取了取集合名的方法，以便于对同类几何实体进行快 速网格划分及后面的边界条件、材料特性和几何特性等的添加。具体的对模型中 接触网部分的取名过程如下： ( 1 ) 支柱部分：该部分共有3 个几何实体，分别命名为m a s t ，p o l e l c u r v e s m a s t _ p o l e 2 c u r v e s ，m a s t _ _ p o l e 3 c u r v e s ； ( 2 ) 定位装置：s t a b i l i z e rc u r v e s ( 3 ) 腕臂部分：平腕臂命名为t o pb a rc u r v e s ，斜腕臂分为两部分，分别命名 a r m l c u r v e s ，a r m 2 一c u r v e s ( 4 ) 接触线：各跨接触线都是相同的，但是为了在建立模型时应用复制功能提高 建模效率，将接触线分别命名o v e r h e a dw i r e lc u r v e s ，o v e r h e a dw i r e 2c u r v e s ； ( 5 ) 承力索：为了建模方便也是将其命为两个名字c a t i n e r y lc u r v e s ， c a t i n e r y 2 _ c u r v e s ( 6 ) 吊弦：d r o p p e rc u r v e s 为了进一步简化建模过程，忽略接触悬挂中的接触线的预驰度，但是考虑承 1 4 接触网的有限元建模 力索的驰度问题。考虑到定位装置要求灵活，在沿线路方向既能发生移动又能在 受电弓通过定位点时能上下动作自如，因此定位部分与斜腕臂部分的链接一律施 加为铰链连接( t y i n gt y p e5 2 ) ，以满足这种特殊需求。为了将主要精力放在弓 网系统的关键接触问题上，在对所生成的接触网几何实体的网格划分时进行了不 同程度的粗细划分，具体如下： ( 1 ) 支柱：每根几何实体支柱划分为四个网格单元体； ( 2 ) 定位部分：定位装置是在定位点处对接触线实现相对于线路中心进行横向定 位及固定接触线高度的装置，为了建模的方便本模型中仅建立了定位管的几 何实体，并将每根定位管划分为2 个单元体； ( 3 ) 腕臂部分：其中平腕臂一个几何实体划分为三个单元体，斜腕臂为2 个单元 体； ( 4 ) 接触线：本模型中每个跨之间共有5 根吊弦，由于接触线是直接与受电弓进 行接触的关键部分，这里对它进行了较细致的单元划分，每两根吊弦之间的 一段接触线共分成8 个单元体； ： ( 5 ) 承力索：承力索的作用是通过吊弦将接触线悬挂起来，并不直接参与接触， 因此对其划分相对粗略，每根吊弦之间的承力索只分成了2 个单元体； ( 6 ) 吊弦：连接承力索和接触线的吊弦也是接触悬挂中十分重要的一个部件，本 模型中将吊弦分成2 个单元体； 通过软件中的b o u n d a r yc o n d i t i o nt y p e 菜单项将七根支柱下端的六个自由 度全部限制，也即使支柱在x ，y ，z 轴三位移方向上既不能运动也不能旋转，以 模拟实际接触网系统中支柱在地基中的固定作用。在所建立的6 跨的接触网有限 元模型中，在第一个支柱连接线上，限制住接触线及承力索与支柱部分连接点在z 轴方向上的移动，也就是约束了模型中节点编号1 2 ，1 5 ，1