1 前言
接觸網(wǎng)是沿線路架設(shè)的、專門為機(jī)車提供電能的供電網(wǎng)絡(luò)，機(jī)車通過受電弓或集電靴與接觸網(wǎng)滑行接觸而取得電能。接觸網(wǎng)是一個(gè)無備用的系統(tǒng)，因此其正常運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)各組成部分的要求非常高。
通俗地講，接觸網(wǎng)系統(tǒng)的仿真可分為受流和受力，受流是指弓網(wǎng)關(guān)系分析，受力是指各種支持結(jié)構(gòu)的分析。通用有限元分析軟件ANSYS的功能強(qiáng)大，在電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程中發(fā)揮了巨大作用，下面對(duì)相關(guān)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。
2 腕臂支持結(jié)構(gòu)
腕臂支持結(jié)構(gòu)在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中起支撐定位的功能，并承受機(jī)械與電氣荷載作用。通過對(duì)腕臂結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高其穩(wěn)定性，改善受流質(zhì)量。腕臂結(jié)構(gòu)以最接近實(shí)際裝置的型式建模，包括定位環(huán)、支持器、承力索支持座等連接件，單元類型選用BEAM188，采用環(huán)形斷面CTUBE模擬腕臂管、定位管與定位器，采用實(shí)心圓形斷面CSOLID模擬連接零件。
采用腕臂結(jié)構(gòu)參數(shù)化分析程序，對(duì)大秦線2億噸擴(kuò)能電氣化配套工程中既有腕臂結(jié)構(gòu)利舊的可行性進(jìn)行了分析，為確定利舊原則提供了參考。對(duì)京滬高速鐵路接觸網(wǎng)支柱與聲屏障合建方案中所采用的腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)影響分析，為合建方案的取舍提供了技術(shù)依據(jù)。平腕臂結(jié)構(gòu)和弓形腕臂結(jié)構(gòu)參見圖1。
圖1 腕臂結(jié)構(gòu)模型
3 接觸網(wǎng)支柱
國內(nèi)電氣化鐵路中應(yīng)用的接觸網(wǎng)支柱類型較多，客運(yùn)專線鐵路上一般采用H型鋼柱和圓鋼管柱，時(shí)速200公里及以下鐵路一般采用橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱、環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱和格構(gòu)式鋼柱。
3.1 H型鋼柱
2006年鐵道部要求在客運(yùn)專線鐵路中采用H型鋼柱，型鋼斷面符合德國標(biāo)準(zhǔn)。工作狀態(tài)下H型鋼柱同時(shí)承受彎、壓、剪、扭的作用，設(shè)計(jì)應(yīng)保證其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017-2003中規(guī)定了H型鋼柱壓彎整體穩(wěn)定的計(jì)算方法，但未給出承受雙向彎曲、垂直壓力、水平剪力和扭矩作用下的強(qiáng)度計(jì)算方法。在編制鐵路工程建設(shè)通用參考圖和支柱鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用ANSYS進(jìn)行了彎壓剪扭強(qiáng)度校核，對(duì)柱腳型式進(jìn)行了分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行修正，滿足了工程建設(shè)的要求。H型鋼柱的柱腳有限元模型參見圖2。
圖2 H型鋼柱柱腳有限元模型
3.2 鋼管支柱
H型鋼柱存在抗扭性能差、受壓時(shí)承載能力折減大和截面尺寸不統(tǒng)一等問題，而采用圓形鋼管柱和方形鋼管柱可替代H型鋼柱解決這些問題。鋼管支柱截面尺寸較小，在鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范修訂前，鋼管柱的設(shè)計(jì)往往由剛度控制，其材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。規(guī)范修訂后，鋼管柱的設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制或與剛度同時(shí)控制，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能得到改觀。鋼管柱采用的原材料是常用材料，各大鋼廠均能生產(chǎn)，有利于及時(shí)保證供貨工期和鐵路建設(shè)需求。與H型鋼柱相比，每百公里造價(jià)可節(jié)省10～30%。
當(dāng)容量（支柱的彎矩承載能力標(biāo)準(zhǔn)值）較大時(shí)，可在鋼管柱內(nèi)部增設(shè)加強(qiáng)板以提高其承載能力，而外形尺寸不變。即將發(fā)布的鐵路通用參考圖《電氣化鐵路接觸網(wǎng)鋼管柱》即是采用ANSYS進(jìn)行分析。帶彎臂的鋼管柱模型參見圖3。
圖3 帶彎臂的鋼管柱
在京津城際鐵路北京南站接觸網(wǎng)景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用ANSYS分析設(shè)計(jì)了鋼管支柱、鋼管硬橫跨和無拉線下錨雙支柱等新穎結(jié)構(gòu)型式，使接觸網(wǎng)同時(shí)滿足功能要求和景觀要求，實(shí)施效果顯著，受到了各方面的贊譽(yù)。后來對(duì)無拉線下錨支柱進(jìn)行深入研究，開發(fā)了無拉線下錨單支柱。
3.3 格構(gòu)式鐵塔
格構(gòu)式鐵塔具有承載能力高、結(jié)構(gòu)型式靈活、安裝簡(jiǎn)便、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，大量用于橋上腕臂柱、車站軟橫跨支柱和硬橫跨支柱。以往在設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)，常將其簡(jiǎn)化成單片桁架按二維平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行手工計(jì)算，精度和效率較低。后采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL開發(fā)了常用鐵塔的分析程序，建立了角鋼截面庫，桿件的局部穩(wěn)定性根據(jù)規(guī)范要求自動(dòng)校核。應(yīng)用這些分析程序，已完成了軟橫跨鋼柱、雙線路腕臂柱、直形橋鋼柱和斜腿橋鋼柱通用圖的編制。格構(gòu)式鐵塔的模型參見圖4。
圖4 格構(gòu)式鐵塔模型
3.4 環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱
在京滬高速鐵路昆山試驗(yàn)段進(jìn)行基礎(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱的撓度及開裂彎矩在水平加載與斜向加載情況下相差很大，采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的方法計(jì)算彎矩增大系數(shù)，也無法解釋該現(xiàn)象，因此考慮采用有限元方法進(jìn)行分析�；炷敛捎肧OLID65單元，鋼筋采用LINK8單元，模型見圖5。目前僅建立了支柱的模型并進(jìn)行了初步計(jì)算，尚未開展詳細(xì)分析。
圖5 環(huán)形預(yù)應(yīng)力混凝土支柱
4 硬橫跨
硬橫跨一般在車站和多線橋上采用。為保證接觸懸掛的安裝定位與良好的弓網(wǎng)受流，硬橫跨應(yīng)具有承載能力高、穩(wěn)定性好、跨越能力大等特點(diǎn)。城軌交通和地鐵一般采用斷面較小的單鋼管硬橫跨和H型鋼硬橫跨，交流電氣化鐵路一般采用斷面較大的格構(gòu)式硬橫跨。為了改善接觸網(wǎng)的景觀效果，在京津城際鐵路北京南站和天津站采用了鋼管硬橫跨（橫梁為三鋼管，支柱為單鋼管），替代原來的角鋼結(jié)構(gòu)硬橫跨，景觀效果得到提升。鋼管硬橫跨設(shè)計(jì)圖經(jīng)過完善已上升為部頒通用圖，在后續(xù)建設(shè)的客運(yùn)專線中推廣應(yīng)用。圖6給出了幾種工程中應(yīng)用的硬橫跨模型，其中“三鋼管硬橫跨”為京津城際鐵路采用的型式。
圖6 硬橫跨模型
5 下錨拉線
在接觸網(wǎng)下錨拉線的設(shè)計(jì)中，常假設(shè)柱底鉸接，采用簡(jiǎn)單的力矩平衡方法計(jì)算拉線的拉力，進(jìn)而選擇拉線規(guī)格及配套的零部件型號(hào)。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，偏于安全。
隨著高速鐵路接觸懸掛張力的提高，采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)的拉線將出現(xiàn)拉線根數(shù)多、安裝不方便、不經(jīng)濟(jì)等問題。京滬高速鐵路設(shè)計(jì)中采用有限元方法準(zhǔn)確地分析拉線的受力和錨柱的變形，很好地解決了這些問題。帶拉線錨柱的變形參見圖7。
圖7 帶拉線錨柱變形圖
6 接觸網(wǎng)零部件
接觸網(wǎng)零部件種類較多，運(yùn)營中也最容易出問題，因此零部件的強(qiáng)度和疲勞分析非常重要，目前這部分應(yīng)用也最薄弱。根據(jù)計(jì)算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的安裝應(yīng)力占較大比重，而工作應(yīng)力相對(duì)較小。對(duì)這些零部件而言，如果采用的緊固力矩不恰當(dāng)，就有可能在施工安裝過程中對(duì)其造成損傷，進(jìn)而逐步失效，危及行車安全。圖8為絕緣支架、地鐵防爬器和定位環(huán)的模型。
圖8 接觸網(wǎng)零部件
7 柔性接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真與接觸線疲勞壽命分析
接觸網(wǎng)－受電弓系統(tǒng)的受流（能量傳遞）過程是隨著受電弓和接觸網(wǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)態(tài)中完成的。對(duì)于同一系統(tǒng)而言，列車速度越高，維持弓網(wǎng)之間良好的接觸性能越困難，受流質(zhì)量也隨之下降，當(dāng)速度超過系統(tǒng)正常允許范圍以上時(shí)，受流性能會(huì)嚴(yán)重惡化，甚至影響列車正常運(yùn)行。因此高速受流是高速鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一。
在高速情況下，受電弓的抬升力在空氣動(dòng)力和自身慣性作用下以列車速度平方的比例大幅度增加，因而使接觸線產(chǎn)生較大的抬升量。過高的抬升量不僅容易引起接觸線的振動(dòng)，離線率增加，而且還會(huì)引起定位器抬升過高，造成受電弓撞擊定位管；過高的抬升量還會(huì)使接觸線彎曲應(yīng)力增加，而容易引起壽命期間內(nèi)的疲勞斷線。因此應(yīng)控制接觸線的抬升量以避免對(duì)系統(tǒng)的損傷。
為了分析弓網(wǎng)關(guān)系與接觸線的疲勞壽命，結(jié)合ANSYS平臺(tái)開發(fā)了基于有限元的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)CatFEM。該系統(tǒng)包括靜態(tài)找形、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬和接觸線疲勞分析三個(gè)功能模塊。接觸懸掛類型包括簡(jiǎn)單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛。需要考慮疲勞時(shí)，承力索和接觸線采用梁?jiǎn)卧M，不計(jì)算疲勞時(shí)采用桿單元模擬以提高運(yùn)算速度。目前該系統(tǒng)剛初具形態(tài)，尚有許多方面需要完善。圖9給出了弓網(wǎng)耦合模型、弓網(wǎng)接觸力與受電弓抬升量、接觸線的疲勞壽命曲線。
圖9 柔性接觸網(wǎng)
8 剛性接觸網(wǎng)仿真
越來越多的城市軌道交通項(xiàng)目的接觸網(wǎng)懸掛類型采用架空剛性懸掛系統(tǒng)，但剛性懸掛動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的研究相對(duì)滯后，實(shí)際運(yùn)營中存在的一些問題尚沒有理論上的支持與解釋，影響了剛性懸掛的推廣應(yīng)用和高速化的發(fā)展。
與柔性懸掛相比，剛性懸掛的靜態(tài)彈性很小，且不均勻，懸吊點(diǎn)與跨中的彈性約差三個(gè)數(shù)量級(jí)。通過對(duì)懸吊結(jié)構(gòu)等效模型的分析，確定了影響懸吊結(jié)構(gòu)彈性的關(guān)鍵因素，提出了改善剛性懸掛彈性的措施。后與制造廠家合作研制開發(fā)了城市軌道交通剛性懸掛一體化彈性裝置，試運(yùn)營證明該裝置可改善剛性懸掛系統(tǒng)的彈性，有利于提高受流質(zhì)量和列車運(yùn)行速度，同時(shí)可減少接觸線磨耗。
在仿真系統(tǒng)研制過程中，最初將懸吊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為帶集中質(zhì)量的彈簧，剛性懸掛的計(jì)算模型為有彈性支撐的連續(xù)梁模型。后按懸吊結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造和匯流排的曲線布置型式建立了剛性懸掛的三維模型，如圖10所示。
圖10 剛性懸掛
目前剛性懸掛仿真系統(tǒng)具有靜態(tài)彈性、模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)模擬功能，可考慮的因素包括跨距不均勻布置、機(jī)車勻加速行駛、匯流排接頭、接觸網(wǎng)坡度、接觸線不平順等，受電弓的數(shù)量包括單弓、雙弓和三弓，受電弓模型包括二元和三元質(zhì)量模型。
9 結(jié)論
以上介紹了ANSYS在接觸網(wǎng)工程中的初步應(yīng)用情況，開發(fā)的程序以APDL為主，用戶界面較差，不便于推廣應(yīng)用。需在以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步研究和開發(fā)：采用Tcl/Tk語言編制圖形用戶界面；開發(fā)通用的腕臂結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)；完善提升柔性懸掛和剛性懸掛仿真系統(tǒng)建模、運(yùn)算速度和后處理功能；采用三維造型軟件建立零部件三維實(shí)體模型庫；完善接觸線和零部件的疲勞分析功能。最終目的希望開發(fā)出功能完備的接近商業(yè)軟件水平的工程設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，一般工程師均可操作應(yīng)用，而非僅限于專業(yè)人員。
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本文標(biāo)題：ANSYS在電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程中的應(yīng)用
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