基于ANSYS的接觸網彈性計算

郝方濤，吳積欽

0 前言

接觸網是一個三維架空的機械系統(tǒng)，當接觸線受到抬升力作用時，會產生相應的抬升量，單位力的作用產生的抬升量即為“彈性”。

接觸懸掛的彈性不僅反映了接觸網設計的好壞，還對受電弓與接觸網間的接觸質量有直接的影響，是評價弓網受流質量的一個重要因素。隨著機車速度的不斷提高，較大的彈性不均勻度會使接觸網振動加劇，增大離線率，從而破壞受流。在接觸網的設計、施工中應嚴格控制彈性不均勻系數(shù)。本文利用有限元理論，建立了簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的有限元模型，對一個跨距內的接觸網彈性進行了仿真計算，對彈性的變化規(guī)律做了定量分析，這對今后的接觸網設計有重要的指導意義。

1 接觸網仿真模型的建立

接觸網是沿線路布置的架空的懸索結構，隨著跨距的變化，其彈性亦會發(fā)生相應的變化，這與接觸網的參數(shù)設置以及吊弦的布置情況都有密切關系。對于不同的跨距和接觸網線材參數(shù)，應建立相應的模型，才能精確地計算出該情況下的接觸網彈性變化情況。

本文在建立相應的仿真模型方面做了以下幾種假設：

（1）承力索、接觸線、彈性吊索和吊弦為柔性索，僅能承受沿其軸向的拉力。

（2）定位器被等價為1根帶拉應力的吊弦。

（3）不考慮接觸網內的張力差。

接觸網模型的建立思路：對接觸網進行幾何求解分析，建立接觸網的關鍵點，繼而連線構建接觸網的幾何模型。把線索上的張力換算成應變，對建立的幾何模型進行網格劃分和邊界條件約束，進行空載時的接觸網模型迭代，直到所建立的模型達到平衡為止。

1.1 定位器的受力分析

以 O點為支撐點對定位器進行受力分析（如圖1），建立其力矩平衡方程：

圖1 定位器受力分析圖（正定位）

求解上述平衡方程則得

式中，a為定位點處的拉出值；L1，L2為左右2個相鄰跨距的取值；F為接觸線張力。

1.2 簡單鏈形懸掛模型的建立

為了更好計算接觸網定位點處的彈性值，建立了三跨簡單鏈形懸掛模型，選擇中間的一跨作為研究對象，為此把定位器等效為1根帶張力的吊弦，定位器的豎向力換算成此時線索上的應變，建立簡單鏈形懸掛的模型，如圖2所示。

圖2 簡單鏈形懸掛幾何模型圖

其中，中間跨的跨距選擇65 m，第1根吊弦和最后1根吊弦距離定位點5 m，跨內的7根吊弦均勻布置。

1.3 彈性鏈形懸掛模型的建立

彈性鏈形懸掛和簡單鏈形懸掛的模型差不多，只不過在定位點的地方多出了1根彈性吊索，且跨距內的第1個吊弦和最后1根吊弦都是直接連接到彈性吊索上的。彈性鏈形懸掛模型如圖3所示。

圖3 彈性鏈形懸掛幾何模型圖

其中，中間跨的跨距選擇65 m，彈性吊索選擇18 m，第1根吊弦和最后1根吊弦距離定位點5 m，其他5根吊弦均勻布置。

2 接觸網的彈性計算

2.1 仿真參數(shù)設置

本文采用LINK10單元模擬所有線索，根據(jù)線索參數(shù)的不同，建立不同的實常數(shù)和材料特性，對已建立的接觸網幾何模型進行網格劃分和邊界條件約束。

各線索的基本參數(shù)設置見表1。

表1 接觸網線索基本參數(shù)設置表

由于吊弦所懸吊的接觸線長度不一樣，而且根據(jù)第1.1節(jié)所計算得到的等效吊弦上的張力也不一樣，所以吊弦的張力要分別進行計算得到。

把線索上的張力換算為單元的應變，等價吊弦的應變值為σ1= Gj/ EA（E為材料的彈性模量，A為吊弦橫截面積）。

其他線索上的應變值：σ2= N / EA（N為線索張力）。

2.2 簡單鏈形懸掛的彈性計算

計算方法：在所建立的簡單鏈形懸掛模型上施加集中力，通過10次的迭代求解最終得到準確的抬升量，進而得到該節(jié)點處的接觸網彈性值。

在各個吊弦點施加集中力，得到的仿真結果見表2。

表2 簡單鏈形懸掛仿真結果數(shù)據(jù)表

跨距內的最大彈性為ηmax= 0.333 mm / N。

彈性不均勻度為

由表 2可以直觀地繪制出簡單鏈形懸掛彈性在跨距內的變化規(guī)律圖（圖4）。

圖4 簡單鏈形懸掛的彈性變化曲線圖

2.3 彈性鏈形懸掛的彈性計算

在彈性鏈形懸掛模型各個吊弦點施加集中力，通過仿真求解得到的結果見表3。

表3 彈性鏈形懸掛仿真結果數(shù)據(jù)表

跨距內的最大彈性為ηmax= 0.305 mm / N。

彈性不均勻度為

由表 3可以繪制出簡單鏈形懸掛彈性在跨距內的變化規(guī)律圖（圖5）。

3 結論

本文建立了接觸網 2種懸掛模式的有限元模型，仿真分析得到了跨距內的彈性大小及變化規(guī)律，通過對簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的對比分析，可以得到如下結論：同樣跨距情況下，簡單鏈形懸掛的彈性不均勻度大，彈性鏈形懸掛由于在定位點處增加了彈性吊索，改善了定位點的彈性狀況，使得一個跨距內的彈性不均勻度減小，更加適合列車高速運行的要求。

圖5 彈性鏈形懸掛的彈性變化曲線圖

4 存在問題及改進建議

本文建立的接觸網模型把定位器等效為 1根帶張力的吊弦，該假設限制了定位點處接觸線的豎向運動，對接觸網的動態(tài)仿真有很大的局限性，且通過仿真得到彈性鏈形懸掛的跨中彈性比簡單鏈形懸掛的小，這與理論研究結果不符，所以在模型建立以及彈性吊索分析上均存在一些問題，需要做更深入的研究。

建議建立接觸網的三維實體模型，對定位器不做假設處理，嘗試接觸線可否用梁單元模擬。

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