高速鐵路弓網(wǎng)耦合模型的建立分析案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u5979高速鐵路弓網(wǎng)耦合模型的建立分析案例綜述 115671.1MSC.Marc軟件介紹 131331.2弓網(wǎng)耦合模型的建立 1236361.3模型的仿真結(jié)果驗證 71.1MSC.Marc軟件介紹MSC.Marc軟件是由MarcAnalysisResearchCorporation公司在1967年推出的全球第一款非線性有限元分析軟件。隨著Marc軟件的功能不斷的增加，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛，從最初的核電發(fā)展到后來的國防，航空，航天，汽車，鐵道等行業(yè)，成為許多著名公司和研究機構(gòu)開發(fā)新產(chǎn)品新技術(shù)的必備工具。在1999年Marc軟件公司被著名的MSC軟件公司收購，隨后對Marc軟件的功能進行了整合。經(jīng)過50多年的發(fā)展完善，MSC.Marc已經(jīng)被學術(shù)界和工業(yè)界大研究人員大力推崇和廣泛應(yīng)用。如今，MSC.Marc軟件已經(jīng)處于全球非線性有限元軟件行業(yè)的領(lǐng)先地位[17]。MSC.Marc用戶界面主要包括繪圖區(qū)、動態(tài)菜單區(qū)、靜態(tài)菜單區(qū)、對話區(qū)和狀態(tài)區(qū)五個部分，其用戶界面如圖3-1所示。圖3-1MSC.Marc軟件界面1.2弓網(wǎng)耦合模型的建立接觸懸掛是由接觸線、承力索、吊弦以及定位器等零件組成的，是一個非常復(fù)雜的振動系統(tǒng)。通過建立仿真模型完整的反應(yīng)其運動規(guī)律是相當困難的，為了掌握其動態(tài)的規(guī)律性，需要先做出必要的假設(shè)，然后建立振動方程，并進行分析。假設(shè)在進行理論分析時，忽略地理因素和人工因素。不考慮自然因素和接觸網(wǎng)的擺動，只考慮直線區(qū)域的接觸網(wǎng)形態(tài)。將簡化定位器以及絕緣子等非重要構(gòu)件分別用帶有剛度的彈簧代替原有的彈性特性。將吊弦、支柱及絕緣子等構(gòu)件用集中質(zhì)點來代替，用有限元法將接觸線、承力索和吊弦等質(zhì)量均勻分布在接觸網(wǎng)模型的單元上。接下來以彈性鏈形懸掛為例介紹全線路接觸網(wǎng)的建模過程。接觸網(wǎng)采用的是彈性鏈形懸掛，由定位器，支柱，絕緣子，吊弦和接觸線、承力索、輔助吊索、錨段關(guān)節(jié)等組成。1.幾何結(jié)構(gòu)建立的模型都是全線路的接觸懸掛，包括錨段中的接觸懸掛及四跨錨段關(guān)節(jié)。所以在建立模型的幾何結(jié)構(gòu)時，包括前后兩個錨段和連接兩錨段的錨段關(guān)節(jié)兩個部分。接下來參照表中的接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用MSC.Marc軟件建立其幾何結(jié)構(gòu)。表3-1接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)名稱參數(shù)設(shè)置導高5.3m跨距50m拉出值300mm結(jié)構(gòu)高度1.6m彈性吊索長度18m吊弦間距8.4m圖3-2錨段中接觸懸掛幾何實體圖每一部分在模型的中的命名如下：表3-2模型的命名l接觸網(wǎng)部分第一錨段各部分名稱第二錨段各部分名稱接觸線overhead_wire1overhead_wire11overhead_wire2overhead_wire22吊弦dropper1dropper11dropper2dropper22彈性吊索catenary11catenary22承力索catenary1catenary11支柱mast_pole1/mast_pole2/mast_pole3水平桿top_bar1/top_bar2/top_bar3腕臂armarm定位器stabilizerstabilizer絕緣體isolatorisolator（2）錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的建立模型主要采用的是四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)。為保證受電弓在錨段關(guān)節(jié)處的穩(wěn)定過渡，兩接觸線投影平衡，線間距離為500mm；轉(zhuǎn)換柱處非工作支接觸線比工作支高500mm；中心柱處的兩接觸線等高，跟錨段中接觸線的導高相等。錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其各部分的命名跟上面是一樣的，錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。圖3-3錨段關(guān)節(jié)處接觸懸掛幾何實體圖2.有限元劃分在仿真分析中，為了獲得弓網(wǎng)間的接觸壓力及不同位置的相關(guān)的運動參量，所以采用了歐拉-伯努利梁模，將第一錨段和第二錨段的接觸懸掛分割成很多有限元，為了得到更詳細的結(jié)果，還可將局部的單元進行加密分析。而承力索、吊弦等使用集中質(zhì)量模型，將其當成單個質(zhì)點，在保證準確度的同時減少計算量。表3-3有限元劃分個數(shù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)mast_pole1stabilizer3catenary12catenary112catenary22catenary222overhead_wire18overhead_wire114overhead_wire28overhead_wire224dropper12dropper112dropper22dropper222圖3-4接觸網(wǎng)有限元劃分圖圖3-5錨段關(guān)節(jié)有限元劃分圖1.約束條件在接觸網(wǎng)模型中，除了接觸線和承力索及定位器具有較高的自由度外，其他部分為了仿真現(xiàn)實狀況，一般都會設(shè)置一定的約束條件。不同情況下，對自由度的限制是完全不同的，詳細內(nèi)容如下表所示：表3-4接觸網(wǎng)的幾何約束條件部件名稱類型自由度設(shè)定位置支柱ground1F_DX,Y,Z,rX,rY,rZ=0兩個錨段分別的第1支柱底端點ground2F_DX,Y,Z,rX,rY,rZ=0第一錨段的第2-25支柱底端點第二錨段的第2-25支柱底端點ground2_preF_DX,Y,rX,rY,rZ=0第一錨段的第2-25支柱底端點第二錨段的第2-25支柱底端點線材fix_wireF_DZ=0兩個錨段分別第1支柱處承力索、腕臂和定位器末端點4.邊界條件在彈性鏈形懸掛模型邊界條件的施加中，主要是對整個接觸懸掛兩個錨段分別對承力索，接觸線施加張力；與此同時對接觸懸掛中的所有部分施加重力，并在Y軸負方向施加重力加速度g=0.98m/s2，在Z軸的原點處是設(shè)置一個定值點，相當于彈簧的定點。對所有的支柱底部設(shè)置一個向下的定點，保證其在接觸網(wǎng)運動的過程中維持位置不變，并且起到對懸掛固定的作用。詳細見圖3-5所示。圖3-6接觸網(wǎng)懸掛的邊界條件5.材料特性實際中的接觸網(wǎng)材質(zhì)使用的是銅鎂合金，但由于線路的不同以及環(huán)境要求，銅和鎂的含量比例略微有些差異，但是差異不是很大，在材料上，主要是通過泊松比，楊氏模量以及密度定義接觸體的剛度，進行接觸分析，其材料設(shè)置如表3-5所示：表3-5接觸網(wǎng)懸掛材料名稱材質(zhì)楊氏模量泊松比密度承力索銅合金124GPa0.338940kg/m3接觸線銅合金124GPa0.338940kg/m3彈性吊索銅合金124GPa0.338940kg/m3吊弦銅合金124GPa0.338940kg/m3支柱鋼210GPa0.307850kg/m36.幾何參數(shù)弓網(wǎng)接觸定義的是梁-梁接觸，所以可以把接觸線考慮成圓柱體，接觸半徑也就是相應(yīng)的圓柱的半徑。而其他參數(shù)用來確定用于計算梁單元剛度的實際形狀。接觸半徑用來接觸檢測，當接觸發(fā)現(xiàn)時，多個點將被約束。所有的梁單元均為接觸體，所以接觸體里的所有單元的接觸半徑均相同。接觸線接觸半徑的參數(shù)設(shè)置如表3-6所示：表3-6懸掛的幾何參數(shù)名稱截面積接觸線150mm2承力索120mm2彈性吊索35mm2吊弦10mm21.3模型的仿真結(jié)果驗證以京滬接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)為例，將其仿真計算結(jié)果與EN50318標準[26]對比來驗證使用Marc軟件建立的弓網(wǎng)模型計算結(jié)果的正確性。設(shè)定運行速度為300km/h，接觸網(wǎng)全線路仿真模型為46跨模型，每跨的跨距均為50m，截取其中間7跨的數(shù)據(jù)，如圖3-7所示。圖3-7弓網(wǎng)間動態(tài)接觸壓力從結(jié)果可以看出，弓網(wǎng)間的接觸壓力按跨距呈周期性變化的，且每跨的跨中處彈性較大，接觸壓力變化比較劇烈，出現(xiàn)了接觸壓力的最大值；而接觸壓力的最小值在定位點處出現(xiàn)了。根據(jù)圖3-7中接觸壓力值可以計算得到平均接觸壓力、最大值、最小值和標準偏差值S，然后與按照EN50318標準計算得到的值進行比較，其中EN50318標準中各項計算公式如下：(3-4)(3-4)表3-7仿真結(jié)果與EN50318對比名稱EN50318標準仿真值誤差平均接觸壓力Fm157.3N169N7.4%標準偏差S47.19N46.93N0.55%最大值Fmax298.87N309.8N1.66%最小值Fmin15.73N11.2N16.08%將Marc仿真結(jié)果和EN50318標準進行對比，可以看出兩者的計算結(jié)果十分相近，其中Marc計算得到的平均接觸壓力Fm、最大值Fmax大于EN50318標準，但整體的標準偏差值S卻比EN50318標準小，所以Marc計算得到接觸壓力更平滑些。因為弓網(wǎng)建模時對接觸網(wǎng)和受電弓都做了一些假設(shè)條件，仿真結(jié)果存在小誤差是可以接受的。因此使用MSC.Marc軟件建立的弓網(wǎng)耦合有限元模型的計算結(jié)果是