25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 (2)
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25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析
(2)
25
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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 陈 阳 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械81001班 指 导 教 师 龚俊杰 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 AbstractWith 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51.1引言11.2高杆路灯的国内外研究状况41.3 高杆灯杆体强度分析以及变形61.3.1 高杆灯杆体的力学计算61.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置91.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响101.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核101.5 本章小结11第二章 高杆灯的总体设计122.1 灯杆设计122.2光源及灯具配置132.2.1 光源的选择132.2.2 灯具的选择132.3 灯盘及升降机构142.4 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183.1 相关软件介绍183.1 Solid Works简介183.2 25米高杆灯的主要内容和参数253.3 ansys软件简介273.4 软件模型处理过程273.5 25米高杆灯的有限元模型283.6 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304.1 单一载荷下的有限元分析304.1.1 风载304.1.2 雪载334.2 多重载荷下的有限元分析和优化设计364.2.1 有限元分析364.2.2 结论分析404.2.3 结构优化414.2.4 优化建议45结 论46参考文献47致 谢48陈阳 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析第一章 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。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(57cm80cm)，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。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： (N) 其中： 与结构型式和自振周期有关的风振系数； 风载体型系数； 风压高度变化系数； 标准风压 （）； 结构垂直于风向的迎风面积（）；（注：风压q与风速的关系式为： （），风速的单位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，灯杆迎风面积为19.6，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。 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 4.913.8 六级风 -293 -346 20.0 15.716.0 七级风 -385 -454 26.7 20.920.7 八级风 -632 -745 44.6 35.133.0 十二级风 -1574 -1858 113.2 89.21.3.2 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 ，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2038%，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。 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,一般控制在0. 00550. 007 为宜。灯盘的直径和自重越大,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。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、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。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，地面平均照度由下式计算： 式中：灯具内光源的光通量； 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,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,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，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，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WM1。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，(=P+M1W；W基础抵抗力矩)，且小于基础承载值P0的1.2倍。例如：某高杆灯地上部分的总重量G0=56.36 ，有可能经受的最大风荷载弯矩M=555.66 (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 ，能产生的抵抗力矩，地基承载值勘测为90 。则：G0和G1对底面积为4.54.5(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 90 。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） TopDown(自顶向下)的设计2） DownTop(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） eDrawingSolid 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AnimatorSolid 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 WorksSolid 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 WorksSolid 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。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，泊松比=0.3，密度=7.80103kgm3，屈服极限235，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f10tf/m2和最大风力不得超过11级的地区，垫层厚度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 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，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ANSYS4. 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。 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。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）。，考虑到实际情况，水平风载取为510N；。图4-14-6 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 图4-2 1、2、3节灯杆应力云图 图4-3 1、2、3灯杆位移云图图4-4 法兰应力云图图4-5 垫片应力云图图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。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）：考虑到实际情况，灯具表面覆雪载荷取为1200N。图4-74-11是在雪载作用下，25m高杆灯的应力场分布情况。 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 图4-9 各灯杆位移云图 图4-10 螺栓应力云图图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。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），考虑到实际情况，水平风载取为500N；。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），考虑到实际情况，灯具表面覆雪载荷取为1176N。图4-124-17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 图4-14 1、2、3节灯杆位移云图图4-15 法兰应力云图图4-16 垫片应力云图图4-17 地基应力云图 分析发现在风和雪共同作用下的高杆灯的最大应力出现在螺栓处为96.779MPa,而最大位移则出现在第一节灯杆处为174.09mm，地基和杆身大部分地方的应力和变形较小，基本可以忽略。由此可知高杆灯在自重、风载情况下应力和位移较大，雪载情况下应力及位移较小，基本可以忽略。4.2.2 结论分析 下面给出各种载荷下各部件的应力对比：表4-1 各部件应力（）对比应力部件风载雪载风载和雪载第一节灯杆19.0821.919.984第二节灯杆29.9561.8630.065第三节灯杆34.5836.134.661法兰46.5746.3546.447垫片96.97335.1996.819灯具13.03639.48639.491 各种载荷下各部件的位移对比：表4-2 各部件位移（mm）对比位移部件 风载 雪载风载和雪载第一节灯杆174.11.01174.08第二节灯杆75.770.6375.763第三节灯杆19.910.2934.661法兰0.410.00490.41垫片0.0530.00350.053灯具168.21.621168.5从应力对比可以看出，25m高灯杆在3种不同载荷下作用时，整体的最大应力主要分布在垫片以及各节灯杆的根部位置。风载时整体最大应力为96.973MPa，雪载时整体最大应力为39.486Mpa，风和雪共同作用时整体最大应力为96.819Mpa。从图中可以看出，除了局部存在着应力集中应力值较大外，杆身绝大部分地方的应力值较小，应力值在0MPa到35MPa之间，有较大的优化空间。材料强度及许用应力是根据不同材料、使用场合来规定的。对于Q235钢材料许用应力可取170MPa，即极限应力为235MPa，安全系数取1.4，则许用应力为168MPa。在实际工作过程中，该种尺寸杆身的最大应力值相对于正常使用来说还远小于屈服强度，因此在优化过程中可以考虑通过减少高杆灯部分零部件的厚度来达到节省材料及轻量化的目的。从图中位移场可以看出，不同载荷下位移值都有所不同，风载时整体最大位移为174.1mm，雪载时整体最大位移为1.621mm，风和雪共同作用时整体最大位移为174.08mm。根据结
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