楊建

1.概述

隨著高速鐵路高速發(fā)展，在高鐵建設中，H型鋼柱因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性，被廣泛使用在供電接觸網(wǎng)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(xù)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(jié)點上相連，并在節(jié)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(jù)分塊近似的思想，選擇一種簡單的函數(shù)來表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，建立單元節(jié)點力和節(jié)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(jié)點位移為未知量的代數(shù)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(tài)分析是根據(jù)用結(jié)構(gòu)的固有特征，包括頻率、阻尼和模態(tài)振型，這些動力學屬性去描述結(jié)構(gòu)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(tài)進行分析，可以獲得H型鋼柱的結(jié)構(gòu)特性，以便更好的應用于高鐵接觸網(wǎng)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(shù)，按如下參數(shù)建立三維模型。H型鋼柱制造規(guī)格、長度應滿足接觸網(wǎng)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(tài)參數(shù)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(zhì)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(zhì)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(shù)：?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(wǎng)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(wǎng)格化三維模型

網(wǎng)格類型：?實體網(wǎng)格???????????????所用網(wǎng)格器：基于曲率的網(wǎng)格

最大單元大?。?34.217?mm????????最小單元大?。?6.8435?mm

雅可比點：4?點??????????????????網(wǎng)格品：質(zhì)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(jié)果

4.結(jié)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(shù)值（赫茲）

3.2008

5.3646

10.854

19.952

32.516

4.2?質(zhì)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(jié)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(tài)分析的意義

模態(tài)分析的最終目標在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。模態(tài)分析技術(shù)的應用可歸結(jié)為一下幾個方面：

（1）評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性;

（2）在新產(chǎn)品設計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計;

（3）診斷及預報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障;

（4）識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

6.結(jié)論

利用有限元方法的高速鐵路H型鋼柱的優(yōu)勢，能夠?qū)δＰ驮囼灄l件所產(chǎn)生的誤差進行仿真分析，H型鋼柱結(jié)構(gòu)也具有固有頻率和模態(tài)振型，這些特性取決于確定結(jié)構(gòu)固有頻率和模態(tài)振型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布。本文應用計算機三維制圖建立數(shù)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(tài)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(jié)構(gòu)的固有特性，理解固有頻率和模態(tài)振型，有助于設計H型鋼柱更優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

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(wǎng).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.