电气化铁道接触网抱箍类零部件有限元分析
摘要
本文基于有限元基本原理，采用有限元分析软件ANSYS对电气化铁道接触网上几种不同类型的零部件进行了有限元分析。
在文中，首先介绍了有限元分析软件ANSYS对零件进行有限元分析时涉及到的基本理论和方法。在这些方法和原理的基础上分别对每种零件的不同荷载工况（具体分为8种工况）进行了材料非线性、状态非线性（接触）、谐响应以及疲劳寿命的计算。在利用有限元软件计算过程中，根据零件复杂的外形和具体的受力特点，划分网格的方法选用智能网格划分，单元选用十节点的四面体SOLID92单元。对零件塑性阶段进行分析时选用的屈服准则为金属材料通用的V. Mises屈服准则。而对于涉及到状态非线性的模型除了分析其材料非线性部分还对存在接触问题的位置加了接触单元（Targe170,Conta174），对零件进行状态非线性求解。状态非线性求解的方法根据实际发生的接触类型（面－面接触）选用罚函数方法。静力部分的求解方法为Newton-Raphson方法。对于部分受正弦波动荷载的零部件进行了谐响应分析，并通过谐响应求出的应力最大幅值来确定零件的疲劳寿命，以达到验证零件耐久性的目的。谐响应分析选用的方法为模态叠加法。
在对零件计算结果以及实验数据进行对比、分析的过程中，我们分别对零件的前期设计、施工过程、实际使用三个阶段提出了合理化建议。相信通过本次计算和分析会对接触网零部件的国产化产生一定的推动作用。
According to the principle of FEM, several kinds of overhead line clamp fittings in electrification railway are analyzed by using ANSYS program.
At first, some basic theories and methods of FEM in the ANSYS program are introduced in this paper. Based on these theories, the method including material nonlinear, state nonlinear (contact), harmonic response and fatigue are applied to 8 load cases of every part. In the course of calculation, intelligent meshing is used and SOLID92 element is adopted because of the complex shape of the models. V.Mises criterion is applied when plastic deformation is considered. Both material nonlinear and state nonlinear should be considered on the models of state nonlinear, and contact elements need to be added to (Targe170,Conta174). The solution of state nonlinear is penalty function based on the sort of contact, and Newton-Raphson method is used in solving static process. Then some parts under sine-wave load is analyzed in harmonic response, and the fatigue life period is defined using the maximum stress in order to make the part durable. The method of harmonic response is modal superposition.
Comparing the calculating results with test data, some suggestions are pointed out in the period of design, construction and application. It is believed that this analysis can take an active role in the native made of the overhead line fittings.
在文中，首先介绍了有限元分析软件ANSYS对零件进行有限元分析时涉及到的基本理论和方法。在这些方法和原理的基础上分别对每种零件的不同荷载工况（具体分为8种工况）进行了材料非线性、状态非线性（接触）、谐响应以及疲劳寿命的计算。在利用有限元软件计算过程中，根据零件复杂的外形和具体的受力特点，划分网格的方法选用智能网格划分，单元选用十节点的四面体SOLID92单元。对零件塑性阶段进行分析时选用的屈服准则为金属材料通用的V. Mises屈服准则。而对于涉及到状态非线性的模型除了分析其材料非线性部分还对存在接触问题的位置加了接触单元（Targe170,Conta174），对零件进行状态非线性求解。状态非线性求解的方法根据实际发生的接触类型（面－面接触）选用罚函数方法。静力部分的求解方法为Newton-Raphson方法。对于部分受正弦波动荷载的零部件进行了谐响应分析，并通过谐响应求出的应力最大幅值来确定零件的疲劳寿命，以达到验证零件耐久性的目的。谐响应分析选用的方法为模态叠加法。
在对零件计算结果以及实验数据进行对比、分析的过程中，我们分别对零件的前期设计、施工过程、实际使用三个阶段提出了合理化建议。相信通过本次计算和分析会对接触网零部件的国产化产生一定的推动作用。
According to the principle of FEM, several kinds of overhead line clamp fittings in electrification railway are analyzed by using ANSYS program.
At first, some basic theories and methods of FEM in the ANSYS program are introduced in this paper. Based on these theories, the method including material nonlinear, state nonlinear (contact), harmonic response and fatigue are applied to 8 load cases of every part. In the course of calculation, intelligent meshing is used and SOLID92 element is adopted because of the complex shape of the models. V.Mises criterion is applied when plastic deformation is considered. Both material nonlinear and state nonlinear should be considered on the models of state nonlinear, and contact elements need to be added to (Targe170,Conta174). The solution of state nonlinear is penalty function based on the sort of contact, and Newton-Raphson method is used in solving static process. Then some parts under sine-wave load is analyzed in harmonic response, and the fatigue life period is defined using the maximum stress in order to make the part durable. The method of harmonic response is modal superposition.
Comparing the calculating results with test data, some suggestions are pointed out in the period of design, construction and application. It is believed that this analysis can take an active role in the native made of the overhead line fittings.
引文
严宗达，塑性力学，天津，天津大学出版社，1999；
毕继红 王晖，工程弹塑性力学，天津，天津大学出版社，2001
罗定安，工程界构数值分析方法与程序设计，天津，天津大学出版社，1995.3
杨骊先，弹性力学及有限单元法，杭州，浙江大学出版社出版，
熊祝华，结构塑性分析，北京，人民交通出版社，1987
黄象鼎，曾钟钢，马亚南，非线性数值分析，武汉，武汉大学出版社，2000.1
王勖成，有限单元法，北京，清华大学出版社出版，1995.4
庄茁译，连续体和结构的非线性有限元，北京，清华大学出版社出版，2002.12
颜云辉，谢里阳，韩清凯，结构分析中的有限单元法及其应用，沈阳，东北大学出版社出版，2001
宋天霞，非线性结构有限元计算，武汉，华中理工大学出版社出版，1996
吕和祥，蒋和洋，非线性有限元，北京，化学工业出版社出版，1992
ANSYS分析指南，美国ANSYS公司。
王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西安，西北工业大学出版社出版，2001.1
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刘涛，杨凤鹏，精通ANSYS,北京，清华大学出版社出版，2002.12
黄琛 陈志远，用罚函数法处理三维变厚度节理元嵌入接触问题，汕头大学学报，第17卷第4期，2002.11
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焦俊亭，刘立渠，结构力学的有限元分析，嘉应大学学报，第20卷第3期，2002.6
孙林松，王德信，谢能刚，接触问题有限元分析方法综述，水利水电科技进展，第21卷第3期，2001.6
陈一鸣，刘德义，于春肖，郝亚娟，耿复生，接触问题中的边界元法及其最优罚因子，燕山大学学报，第25卷第2期，2001.4
生涛，具有相对滑动的接触变形计算，沈阳建筑工程学院学报，第16卷第1期，2000.1
陈一鸣，刘德义，申光宪，弹性接触问题边界元分离解法及其最优罚因子，重庆建筑大学学报，第32卷第6期，2000.12
Contact and thermal analysis of bronze and steel machined surfaces in sliding contactvolume :38, issue :5~6, May 6, 1998
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(捷)柯劳塞克(V. Kolousek)著 刘光栋等译，工程结构动力学，北京，人民交通出版社出版，1980
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