基于ANSYS的接触网弹性计算

2010-06-27郝方涛吴积钦

电气化铁道 2010年3期

郝方涛，吴积钦

0 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：

（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。

1.1 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：

图1 定位器受力分析图（正定位）

求解上述平衡方程则得

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。

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，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LINK10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

由于吊弦所悬吊的接触线长度不一样，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σ1= 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：σ2= 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

跨距内的最大弹性为ηmax= 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）。

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

跨距内的最大弹性为ηmax= 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，更加适合列车高速运行的要求。