基于有限元方法的高速鐵路H型鋼柱模態分析

楊建

1.概述

隨著高速鐵路高速發展，在高鐵建設中，H型鋼柱因其優異的結構特性，被廣泛使用在供電接觸網架設中。有限元分析方法是有限元法的基本思想，是在力學模型上將一個原來連續的物體離散成為有限個具有一定大小的單元，這些單元僅在有限個節點上相連，并在節點上引進等效力以替代實際作用于單元的外力。對于每個單元，根據分塊近似的思想，選擇一種簡單的函數來表示單元內位移的分布規律，建立單元節點力和節點位移之間的關系。最后把所有單元的這種關系式集合起來，就得到一組以節點位移為未知量的代數方程，解這些方程就可以求出物體上的有限個離散點上的位移。模態分析是根據用結構的固有特征，包括頻率、阻尼和模態振型，這些動力學屬性去描述結構的過程。面對大量使用的H型鋼柱，利用有限元分析方法，對模態進行分析，可以獲得H型鋼柱的結構特性，以便更好的應用于高鐵接觸網建設。

2.有限元方法分析

2.1?利用三維制圖軟件，按照?H型鋼柱型號參數，按如下參數建立三維模型。H型鋼柱制造規格、長度應滿足接觸網安裝尺寸及荷載方面的要求。制造H型鋼柱的柱身材料必須為熱軋H型鋼，其尺寸、外形、參考重量及靜態參數應滿足德國標準DIN1025-2與DIN1025-4。此次分析以GHT240A/7.4?型號的H型鋼柱為模型。

型號：GH240A ??????對應圖紙：通化（2008）1301

h（mm ）：240???????b（mm）：240

t1（mm）：10????????t2（mm）：17

r（mm）：21

2.2?三維模型圖

質量：1580.05?lb??體積：5557.27?in^3密度：0.284322?lb/in^3??重量：1578.98?lbf

2.3?分析步驟

2.3.1?定義材料屬性

H型鋼柱的鋼材采用Q235B

名稱：Q235B鋼，熱軋條材??????????模型類型：?線性彈性同向性

屈服強度：?1.8e+008?N/m^2???????????張力強度：?3.25e+008?N/m^2

質量密度：?7870?kg/m^3??????????????彈性模量：?2e+011?N/m^2

泊松比：0.29????????????????????熱擴張系數：?1.22e-005?/Kelvin

2.3.2?施加約束條件及載荷

為簡化分析模型，忽略接觸網對鋼柱的影響，只對H型鋼柱底盤法蘭施加固定約束，使H型鋼柱固定。

2.3.3?網格化三維模型

網格類型：?實體網格???????????????所用網格器：基于曲率的網格

最大單元大小：134.217?mm????????最小單元大?。?6.8435?mm

雅可比點：4?點??????????????????網格品：質高

2.3.4?運算

對建立的有限元模型，利用計算機圖形仿真單元進行計算。

3.模擬結果

4.結果分析

4.1?模擬分析后，得出該型號H型鋼柱的共振頻率如下：

頻率

頻率1

頻率2

頻率3

頻率4

頻率5

數值（赫茲）

3.2008

5.3646

10.854

19.952

32.516

4.2?質量參與

模式號：

頻率?（赫茲）

X?方向

Y?方向

Z?方向

1

3.2008

0.5205

6.46E-07

1.43E-06

2

5.3646

3.76E-06

7.27E-08

0.52506

3

10.854

3.36E-05

3.70E-05

1.38E-06

4

19.952

0.16187

4.13E-05

1.13E-05

5

32.516

3.07E-06

1.07E-06

0.16459

4.3?結果比較

序號

頻率

最小合位移

最大合位移

1

3.2008?Hz

0?mm

81.5?mm

2

5.3646?Hz

0?mm

80.872?mm

3

10.854?Hz

0?mm

90.6168?mm

4

19.952?Hz

0?mm

84.8688?mm

5

32.516?Hz

0?mm

79.9751?mm

5.H型鋼柱模態分析的意義

模態分析的最終目標在是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。模態分析技術的應用可歸結為一下幾個方面：

（1）評價現有結構系統的動態特性;

（2）在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計;

（3）診斷及預報結構系統的故障;

（4）識別結構系統的載荷。

6.結論

利用有限元方法的高速鐵路H型鋼柱的優勢，能夠對模型試驗條件所產生的誤差進行仿真分析，H型鋼柱結構也具有固有頻率和模態振型，這些特性取決于確定結構固有頻率和模態振型的結構質量和剛度分布。本文應用計算機三維制圖建立數學模型，通過有限元理論，建立了H型鋼柱的有限元模型，通過模型的模態分析，得到了模型的5個諧振頻率，以及各頻率下該型號H鋼柱在諧振頻率下的最大和位移，對研究H型鋼柱結構的固有特性，理解固有頻率和模態振型，有助于設計H型鋼柱更優的結構。

參考文獻：

[1]《有限元分析：ANSYS理論與應用》

[2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網.成都：西南交通大學出版社，2003.

[3]曾攀.有限元分析基礎教程（ANSYS算例）.清華大學，2008.