基于ANSYS的接触网弹性计算

1、基于ANSYS的接触网弹性计算郝方涛，吴积钦摘 要：从有限元理论出发，建立了接触网的有限元模型，对简单链形悬挂和弹性链形悬挂一个跨距内的弹性进行了仿真分析，精确地计算了弹性的大小，对弓网系统的安全运营有重要的指导意义。关鍵词：接触网；受电弓；有限元模型；弹性Abstract: Based on finite element theory, the finite element model of Overhead Contact System is established, on which the simulation analysis of elasticity in one span ha

2、s been done and at last the elasticity is calculated accurately. It has very important guiding significance on safe operation of pantograph-OCS system.Key words: OCS; pantograph; finite element model; elasticity中图分类号：U225.1 文献标识码：A 文章编号：1007-936(2010)03-0031-030 前言接触网是一个三维架空的机械系统，当接触线受到抬升力作用时，会产生相应的

3、抬升量，单位力的作用产生的抬升量即为“弹性”。接触悬挂的弹性不仅反映了接触网设计的好坏，还对受电弓与接触网间的接触质量有直接的影响，是评价弓网受流质量的一个重要因素。随着机车速度的不断提高，较大的弹性不均匀度会使接触网振动加剧，增大离线率，从而破坏受流。在接触网的设计、施工中应严格控制弹性不均匀系数。本文利用有限元理论，建立了简单链形悬挂和弹性链形悬挂的有限元模型，对一个跨距内的接触网弹性进行了仿真计算，对弹性的变化规律做了定量分析，这对今后的接触网设计有重要的指导意义。1 接触网仿真模型的建立接触网是沿线路布置的架空的悬索结构，随着跨距的变化，其弹性亦会发生相应的变化，这与接触网的参数设置以

4、及吊弦的布置情况都有密切关系。对于不同的跨距和接触网线材参数，应建立相应的模型，才能精确地计算出该情况下的接触网弹性变化情况。本文在建立相应的仿真模型方面做了以下几种假设：作者简介：郝方涛.吴积钦.西南交通大学电气工程学院，副教授。（1）承力索、接触线、弹性吊索和吊弦为柔性索，仅能承受沿其轴向的拉力。（2）定位器被等价为1根带拉应力的吊弦。（3）不考虑接触网内的张力差。接触网模型的建立思路：对接触网进行几何求解分析，建立接触网的关键点，继而连线构建接触网的几何模型。把线索上的张力换算成应变，对建立的几何模型进行网格划分和边界条件约束，进行空载时的接触网模型迭代，直到所建立的模型达到平衡为止。1

5、.1 定位器的受力分析以O点为支撑点对定位器进行受力分析（如图1），建立其力矩平衡方程：Fz · h = Gj ·Lp + 1/2(Gd · Lp)式中，；ld为定位器的长度；Gd为定位器自重；a为定位器坡度；Gj为定位点处接触线对定位器的竖向拉力。FzGjMGdhOaN图1 定位器受力分析图（正定位）求解上述平衡方程则得又知：式中，a为定位点处的拉出值；L1，L2为左右2个相邻跨距的取值；F为接触线张力。则：1.2 简单链形悬挂模型的建立为了更好计算接触网定位点处的弹性值，建立了三跨简单链形悬挂模型，选择中间的一跨作为研究对象，为此把定位器等效为1根带张力的吊弦

6、，定位器的竖向力换算成此时线索上的应变，建立简单链形悬挂的模型，如图2所示。图2 简单链形悬挂几何模型图其中，中间跨的跨距选择65 m，第1根吊弦和最后1根吊弦距离定位点5 m，跨内的7根吊弦均匀布置。1.3 弹性链形悬挂模型的建立弹性链形悬挂和简单链形悬挂的模型差不多，只不过在定位点的地方多出了1根弹性吊索，且跨距内的第1个吊弦和最后1根吊弦都是直接连接到弹性吊索上的。弹性链形悬挂模型如图3所示。图3 弹性链形悬挂几何模型图其中，中间跨的跨距选择65 m，弹性吊索选择18 m，第1根吊弦和最后1根吊弦距离定位点 5 m，其他5根吊弦均匀布置。2 接触网的弹性计算2.1 仿真参数设置本文采用L

7、INK10单元模拟所有线索，根据线索参数的不同，建立不同的实常数和材料特性，对已建立的接触网几何模型进行网格划分和边界条件约束。各线索的基本参数设置见表1。表1 接触网线索基本参数设置表横截面积/mm-2张力/kN线密度/kg · m-1密度/kg · m-3弹性模量/Pa泊松比接触线15027.01.0808 9401.2×10110.33承力索12021.01.0658 8751.2×10110.33吊弦10/0.0909 0001.2×10110.33弹性吊索353.50.3108 8571.2×10110.33由于吊弦所悬吊的

8、接触线长度不一样，而且根据第1.1节所计算得到的等效吊弦上的张力也不一样，所以吊弦的张力要分别进行计算得到。把线索上的张力换算为单元的应变，等价吊弦的应变值为s1 = Gj / EA（E为材料的弹性模量，A为吊弦横截面积）。其他线索上的应变值：s2 = N / EA（N为线索张力）。2.2 简单链形悬挂的弹性计算计算方法：在所建立的简单链形悬挂模型上施加集中力，通过10次的迭代求解最终得到准确的抬升量，进而得到该节点处的接触网弹性值。在各个吊弦点施加集中力，得到的仿真结果见表2。表2 简单链形悬挂仿真结果数据表吊弦号抬升量/mm弹性/mm·N-1114.820.123213.120.

9、109327.890.232436.790.307539.990.333636.790.307727.890.232813.120.109914.820.123跨距内的最大弹性为hmax = 0.333 mm / N。弹性不均匀度为由表2可以直观地绘制出简单链形悬挂弹性在跨距内的变化规律图（图4）。横坐标表示1个跨距内的9根吊弦，纵坐标为相应吊弦点的弹性值图4 简单链形悬挂的弹性变化曲线图2.3 弹性链形悬挂的弹性计算在弹性链形悬挂模型各个吊弦点施加集中力，通过仿真求解得到的结果见表3。表3 弹性链形悬挂仿真结果数据表吊弦号抬升量/mm弹性/mm·N-1123.760.198214.

10、880.124324.600.205433.480.279536.600.305633.480.279724.600.205814.880.124923.760.198跨距内的最大弹性为hmax = 0.305 mm / N。弹性不均匀度为由表3可以绘制出简单链形悬挂弹性在跨距内的变化规律图（图5）。3 结论本文建立了接触网2种悬挂模式的有限元模型，仿真分析得到了跨距内的弹性大小及变化规律，通过对简单链形悬挂和弹性链形悬挂的对比分析，可以得到如下结论：同样跨距情况下，简单链形悬挂的弹性不均匀度大，弹性链形悬挂由于在定位点处增加了弹性吊索，改善了定位点的弹性状况，使得一个跨距内的弹性不均匀度减小

11、，更加适合列车高速运行的要求。图5 弹性链形悬挂的弹性变化曲线图4 存在问题及改进建议本文建立的接触网模型把定位器等效为1根带张力的吊弦，该假设限制了定位点处接触线的竖向运动，对接触网的动态仿真有很大的局限性，且通过仿真得到弹性链形悬挂的跨中弹性比简单链形悬挂的小，这与理论研究结果不符，所以在模型建立以及弹性吊索分析上均存在一些问题，需要做更深入的研究。建议建立接触网的三维实体模型，对定位器不做假设处理，尝试接触线可否用梁单元模拟。参考文献：1 Kießling, Puschmann, Schmieder电气化铁道接触网M中铁电气化局集团译北京：中国电力出版社，20042 于万聚高速电气化铁路接触网M成都：