接触网弹性仿真计算设计方案Word下载.docx

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中国铁路接触网的悬挂方式基本上分为两种，简单链型悬挂和弹性链型悬挂，复链型悬挂使用的较少，但是其动态品质最为优越，也是比较适合高速铁路，但是因为结构比较复杂，施工维修都不容易而使用较少。

简单链型悬挂和弹性链型悬挂都可以满足高速弓网的受流要求，简单链型的静态不均匀度较大，其动态接触力比弹性链型悬挂方式要大，弹性链型悬挂方式的接触线动态态抬升量，容易产生疲劳，技术的关键在于弹性吊索的安装，施工抢修也比较麻烦。

经过多年的铁路运营表示，在相同的接触网系统参数下，并且在相同的列车行驶速度下，弹性链型悬挂方式比简性链型悬挂方式要运行的更加平稳，其原因在于弹性链型悬挂增加了弹性吊索，减小了其弹性不均匀度和接触线弛度。

在上个世纪60年代，日本建成了世界上第一条高速铁路，由新大阪开往东京的新干线，列车速度达到270km/h。

他们是60年代孤独的先行者。

当时采用的是复链式悬挂。

其弹性非常大，其跨中的弹性甚至能达到定位点弹性的百分之九十以上。

完全满足高速受流这一要求。

1972年3月日本山阳新干线开通，它采用的是重复链型悬挂。

这种链型悬挂加大了承力索接触线等线索的张力和直径，取消了复杂的弹性组合吊弦，这一改变使得接触网系统的重量变大，减少了接触网的弹性，减少接触线的抬升量，减少接触网系统的振动幅度。

使得接触网的受流综合性能得到大幅度提升。

但是这种接触悬挂一次性投资太大，结构复杂，零部件多，直接导致接触网系统运营维修费用过高，发生事故时候抢修难度大，中断时间长。

又由于上世纪八九十年代日本处于经济衰退的艰难时期，于1997年兴建的北陆新干线采用的是简单链型悬挂，降低了接触网施工的成本。

但是日本近年来的两种主要的接触网悬挂方式，其接触线张力都在逐渐增加（14.7KN-250km/h，19.6KN-300km/h）重复链型悬挂和简单链型悬挂目前已经成为日本的两种标准接触网悬挂类型。

作为80年代的新霸主，法国高速铁路大西洋线于1989年开幕，连接巴黎和法国西部，时速300km/h。

采用的是简单链型悬挂。

法国接触网工程师有着不同的观点，弹性吊索对于时速超过250km/h的高速铁路来说其影响意义并不大，反而认为提速是影响机车行车安全的主要因素。

所以目前法国主要采用简单链型悬挂方式。

随着列车速度的不断增加，接触线张力也在增加，300km/h的路段接触线张力在20KN，而时速350km/h的路段接触线张力增加到25KN，所以法国接触网公式的重点放在改善受电弓机械性能，并研发高性能的受电弓。

同时法国是目前轮轨系统的世界记录保持者。

1990年5月，试验运行速度达到500km/h以上。

法国在160km/h时速的接触网采用的是全补链型悬挂，弹性链型辅助索长度为12m，吊弦之间的间距为9m。

同样采用全补链型悬挂的还有TGV东南线，它的弹性链型辅助索长度为15m，吊弦间距为4.5m，总的接触线张力为28KN。

其接触线的预弛度为1：

1000，可以满足270km/h的时速。

由于该接触网在定位点处增加了弹性吊索，减小了弹性不均匀度，也增加了定位支持点的弹性，同时增大定位器抬升量，但是这样容易产生定位管打弓事故。

上世纪五十年代，德国便开始进行制定接触网标准化的工作。

在多年的实践运营下，先后推出Re75、Re100、Re160、Re200、Re250、Re300、Re330型接触网。

刚开始的两种为简单链型悬挂，剩下的都是全补偿弹性链型悬挂。

在Re200及以下系列悬挂标准为基础德国铁路又设计了Re250悬挂标准，该标准可以满足时速250km/h的路段。

90年代在Re250悬挂标准为基础又推出了新的Re330型接触网，该标准适用于时速300km/h的线路上。

在Re330型接触网中继续使用了传统的链型悬挂，但是加大了接触线张力，原来的Re250其接触线15KN到Re330型其接触线张力增加到27KN，跨距也减小了，由原来的Re250型80m减少到了65m，并将弹性吊索的结构进行了简化，在净空受到限制或施工比较困难的区段取消了安装弹性吊索，换成了安装简单链形悬挂，同时研究高性能的受电弓来满足机车高速运行的取流和稳定。

总的来说，国内外的高速接触网发展的趋势有以下几点：

①接触网结构越来越简单，便于施工维修，并提高接触网可靠性和稳定性②在接触网系统的线料参数不变的情况下，适当提高接触线张力，减小系统的弹性不均匀度，以及减小接触线弹性和提升了接触线波动传播速度，进而为提升机车运行速度提供保障。

③各国的铁路公司都在积极研制并开发与接触网参数及与运营速度相匹配的高速高性能受电弓。

1.3本论文的研究内容和方法

接触网的弹性和弹性均匀度受很多因素的影响，比如悬挂类型，承力索张力，接触线张力，弹性吊索长度，跨距，吊弦数目等等。

本论文主要研究这些参素的改变对于接触网系统产生的弹性影响以及其均匀度影响。

本论文的重点在于研究计算接触网的弹性和弹性均匀度，首先用ANSYS软件建立了接触网系统的有限元模型，在本论文中，首先建立了单跨简单链型悬挂模型和三跨弹性链型悬挂模型。

对这两个模型通过结构分析软件ANSYS计算得出静态结构，找型，计算吊弦长度。

然后在接触线上每个吊弦位置的节点处添加静态抬升力，对比没加静态抬升力的情况下得出每个节点Y方向上的位移差值，就可以计算出每个点的弹性，进而求出弹性均匀度。

然后改变模型的参数再次通过上诉方法计算静态抬升量，得出在不同因素的作用下对接触网系统弹性均匀度以及每个关键点弹性的影响，计算出在不同因素情况下得到的弹性参数，对比并得出结论。

为今后的接触网设计施工提供可靠的科学依据。

第2章有限元理论与APDL简介

接触网系统的接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件和绝缘子。

通过支持装置将接触悬挂架设在各个支柱上，其功能用处是传输电能。

将从电能从牵引变电处获得并输送给电力牵引机车。

接触网系统的结构包含很多部分，其主要的部分是索，索作为力学模型来说不可以受压力，只能收到拉力。

二力杆作为物理模型来说，可以受到压力也可以收到拉力，所以用杆模拟索比较好。

而ANSYS中LINK10单元比较特殊的双线性刚度矩阵这个特性正好可以满足这个特性，使索成为一个轴向只受拉力或者只受压力的杆单元。

在使用LINK10单元时，可以调整设置受拉选项，如果杆单元受压，杆刚度就会消失，所以用以此来模拟索的松弛或弹性吊索的松弛比较好。

第二章先介绍有限元理论，再介绍ANSYS软件的特点和运用该软件研究计算接触网弹性的好处，最后再对APDL进行简介。

2.1有限元理论

有限元方法广泛应用于传热学，结构分析，流体力学，和电磁学等等工程问题的分析上。

它把求解的连续系统离散成有限个简单且相互作用的小元素，也称作单元。

最后进行近似求解。

一般先把工程问题转化为物理模型，接着确定它的数学模型（微分方程组），并确定其边界条件和初值条件，然后就是求解了，简单的求解一般用解析法，复杂的求解一般用数值法，数值法又分为三类，分别是有限元法和有限差分法以及边界元法。

有限元法一种有效的数值计算方法，它广泛适用在电子计算机的编程计算中。

有限元法起源于20世纪50年代，当时用来研究航空中飞机结构的矩阵分析，结构力学中一种最主要分析方法叫做结构矩阵分析。

结构矩阵分析法认为任意一个结构都可以看作是由有限个小单元互相作用相互影响并相互连接而成的一个集合体，我们可以把每个单元的力学特性可以比作机械上的零件，组装在一起就可以提供整体的力学特性。

那么我们会不禁提出这样的问题了，我们为什么要首先分析力学单元的特性呢，直接分析整体不是更直接更快速吗？

在面对实际的工程问题中，对实际复杂系统结构直接进行整体分析难度比较大，要想把问题简化就要把一个完整的系统拆分变成单元，然后再将这些单元组装变成原来的系统整体分析才容易得到其整体特性。

有限元法是工程师们经常采用的分析工程实际问题的重要方法。

从另一个方面看，运用计算机求解离散系统问题还是比较轻松的，也比较迅速，即使系统单元数目比较庞大。

实际上对于任意一个连续系统，其单元数目是具有无限性，但是计算机的储存容量以及其运算速度总是有极限的，如果把一个系统拆分成无限多个单元，那么计算机将不容易处理。

工程上处理连续体问题的方法大多都是将连续系统进行离散化，转变成离散系统，然后再用计算机进行分析计算。

然而离散系统一般都是具有近似性，与实际情况还是有差距的。

然而离散变量的个数变多时，再用计算机分析计算就可以得到收敛于实际的连续解。

有限元法常常用于分析计算连续系统问题时实际上就是一种把实际系统离散化的分析手段。

如果单元满足问题的收敛需区域，当单元尺寸越来越小时，增加求解区域内单元的数目，解得近似程度会逐渐被改进，结果的近似值也将会越来接近精确解。

有限元模型一般来说都是由有限个几何形状简单的单元组合而成，单元与单元之间是通过节点相互连接，并且在某些节点处施加一定的载荷以及边界条件的数学模型。

下面介绍一下有限元的常用术语。

常用术语有节点、单元、节点力、节点载荷、位移函数、收敛准则等等。

节点（node）代表着有限元的坐标位置，具有一定的自由度（Ux、Uy、Uz），存在着相互物理作用，或者说节点其实就是单元和单元之间的连接点。

节点可以分为铰接，固接或其他形式的连接。

节点一般分为主外节点，内节点，副主外节点和内节点3类，有了节点再能把一些工程中的实际连续体简化。

把它看作在节点处相互作用相互连接的单元集合体，这些单元集合体组成庞大的离散型结构。

通过这种方法把可以把工程上遇到的实际对象转化为可通过计算机计算的数学物理模型，近而进行近似计算，为实际工程提供科学依据。

图2-1节点、单元示意图

常用单元一般可以分为两类，包括自然单元和分割单元。

自然单元是指某些工程构件比如说衔架结构连杆，这种结构在分析时不需要分割。

构件的本身性质以及实际研究的范围决定了结构可不可以看作自然单元。

分割单元一般是指讲连续的系统或者整体结构拆为一个一个微单元，是有限多个。

一般来说，单元的分割是任意的，但是在处理实际工程问题中，我们一定要根据研究对象的特点来进行单元分割，这样使得单元分割可以满足力学分析要求并且要满足方便快速计算的特点。

节点力和节点载荷，相邻单元之间的相互作用是通过节点来实现的，节点力就是节点之间的相互作用力，也叫节点载荷。

节点载荷是作用在节点上的外载荷。

节点力一般情况下可以分为两种：

一个是按照静力等效原则作用在单元上的分布力转移到该节点上的节点载荷，以便建立节点载荷与节点位移的平衡方程。

另一个是直接作用在节点上的外力。

虽然在实际工程问题中有着不同的物理性质、不同的数学模型。

但有限元求解法基本步骤一般都是一样的。

首先是预处理阶段，先将连续体离散化为有限单元，即将问题分解成节点和单元，在单元体间设置节点，使得相邻单元的设计参数具有连续性。

离散的单元的数目大小跟实际工程问题的计算精度有关。

然后定义行为特性，行为特性的物理意义是反映单元的力学物理特性。

它的数学意义是插值位移函数，通过计