基于ANSYS Workbench的高铁接触网定位支座力学分析与结构优化

冯晓河

摘要：利用ANSYS Workbench有限元分析软件，采用对比分析法对高铁接触网勾环式定位支座与轴销式定位支座进行力学性能分析，结果显示，后者最大应力值比前者小493.65MPa，具有更加优良的力学性能。在此基础上，对产品进行结构优化，优化后应力值下降了10.78%，安全系数从0.40提升至0.44，产品应力分布更加均匀，安全性能更好，具有最佳的综合力学性能。

关键词：高铁接触网、定位支座、ANSYS Workbench、力学性能

0.引言

定位支座是高铁接触网系统的重要组成部分，既承受载荷又传递载流，本文以不同结构类型的定位支座为研究对象，通过对其受力情况进行有限元仿真分析，选择较优方案，并根据结果对定位支座结构进行创新设计，最终获得优良力学性能的目的。

1.腕臂及定位支座力值分析

静力学分析是ANSYS workbench最基本的结构分析类型，分析所涉及的内容主要有线性材料的应力应变关系、各向异性线性材料和热膨胀。线性材料的应力应变关系满足：

……………………………公式 1

式中，{σ}为材料的应变向量，[D]为材料刚度矩阵，{εel}为材料弹性应变。

在腕臂装置中，风载气象条件下腕臂承力索座水平载荷为2270N，垂直载荷为1210N，定位线夹水平载荷为2430N，垂直载荷为660N。

2.ANSYS Workbench力学分析

2.1 前处理

本次分析所装配的定位支座为勾环式定位支座与轴销式定位支座两种类型，两种类型的定位支座如图1所示。几何模型在Geometry中添加，添加后进行网格划分、分析设置、结果查看等操作。

2.2 求解及后处理

参数设定完成后进行求解，求解结束后对两种定位支座的应力与安全系数等参数进行对比，分析产品结构的合理性。应力云图如图2所示。勾环式定位支座最大应力达到702.6MPa，产生了严重的应力集中现象;轴销式定位支座最大应力为208.95MPa，小于材料的屈服强度，但仍存在少量的应力集中现象。

3.产品优化

根据分析结果，将轴销式定位支座应力集中部位的外轮廓由原来的八字形状改变为半圆形状，优化前后的定位支座如图3所示。优化后再对其进行受力分析，分析结果如图4所示，此时最大应力为186.42MPa，比优化前减小了22.53MPa，应力分布更加均匀;安全系数从0.40提高至0.44，达到优化效果。

4.结论

轴销式定位支座与定位器的接触面积较大，在相同的载荷条件下，定位支座承受应力小于勾环式定位支座，应力分布比勾环式定位支座更均匀。优化轴销式定位支座结构之后，最大应力值与变形量均有所减小，安全系数进一步提升，达到了通过受力分析优化产品结构与性能的目的。

参考文献：

[1]  韓俊花.基于Pro/E和ANSYS Workbench的液压支架底座的优化设计[M].河北：河北工程大学，2016.6.

[2]  孙  楠.高速铁路接触网技术[M].北京：中国铁道出版社，2014.

[3]  蒋先国.电气化铁道接触网零部件设计与制造[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4]  Saeed Moaveni.Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS Third Edition.ISBN978-7-121-20325-1.

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