基于有限元方法的高速铁路H型钢柱模态分析
基于有限元方法的高速铁路H型钢柱模态分 析 1. 概述 随着高速铁路高速发展,在高铁建设中,H型钢柱因其 优异的结构特性,被广泛使用在供电接触网架设中。有限元 分析方法是有限元法的基本思想,是在力学模型上将一个原 来连续的物体离散成为有限个具有一定大小的单元,这些单 元仅在有限个节点上相连,并在节点上引进等效力以替代实 际作用于单元的外力。对于每个单元,根据分块近似的思想, 选择一种简单的函数来表示单元内位移的分布规律,建立单 元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种关 系式集合起来,就得到一组以节点位移为未知量的代数方 程,解这些方程就可以求出物体上的有限个离散点上的位 移。模态分析是根据用结构的固有特征,包括频率、阻尼和 模态振型,这些动力学属性去描述结构的过程。面对大量使 用的H型钢柱,利用有限元分析方法,对模态进行分析,可 以获得H型钢柱的结构特性,以便更好的应用于高铁接触网 建设。 2. 有限元方法分析 2.1利用三维制图软件,按照H型钢柱型号参数,按如 下参数建立三维模型。H型钢柱制造规格、长度应满足接触 网安装尺寸及荷载方面的要求。制造H型钢柱的柱身材料必 须为热轧H型钢,其尺寸、外形、参考重量及静态参数应满 足德国标准DIN1025-2与DIN1025-4。此次分析以 GHT240A/7. 4型号的H型钢柱为模型。 型号:GH240A对应图纸:通化(2008) 1301 h (mm ): 240b (mm): 240 tl (mm): 10t2 (mm): 17 r (mm): 21 2.2三维模型图 质量:1580.051b 体积:5557. 27inL 密度: 0. 2843221b/inL 重量:1578. 981bf 2. 3分析步骤 2.3. 1定义材料属性 H型钢柱的钢材采用Q235B 名称:Q235B钢,热轧条材模型类型:线性弹性同向性 屈服强度:1. 8e+008N/mi 张力强度:3. 25e+008N/mi 质量密度:7870kg/mL弹性模量:2e+011N/叫 泊松比:0.29热扩张系数:1. 22e-005/Kelvin 2. 3. 2施加约束条件及载荷 为简化分析模型,忽略接触网对钢柱的影响,只对H型 钢柱底盘法兰施加固定约束,使H型钢柱固定。 2. 3. 3网格化三维模型 网格类型:实体网格所用网格器:基于曲率的网格 最大单元大小:134.217mm最小单元大小:26. 8435mm 雅可比点:4点网格品:质高 2.3.4运算 对建立的有限元模型,利用计算机图形仿真单元进行计 算。 3. 模拟结果 4. 结果分析 4. 1模拟分析后,得出该型号H型钢柱的共振频率如下: 频率 频率1 频率2 频率3 频率4 频率5 数值(赫兹) 3.2008 5. 3646 10. 854 19. 952 32. 516 4. 2质量参与 模式号: 频率(赫兹) X方向 Y方向 Z方向 1 3.2008 0. 5205 1. 43E-06 6.46E-07 2 5. 3646 3.76E-06 7.27E-08 0.52506 3 10. 854 3.36E-05 3.70E-05 1.38E-06 4 4. 13E-05 1. 13E-05 5 32. 516 3.07E-06 1.07E-06 0.16459 4. 3结果比较 序号 频率 最小合位移 最大合位移 1 3.2008Hz 0 mm 81. 5 mm 2 5. 3646Hz 0 mm 80.872mm 3 10.854Hz Omm 90.6168mm 4 19.952Hz Omm 84. 8688mm 5 32.516Hz Omm 79.9751mm 5. H型钢柱模态分析的意义 模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数,为结 构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力 特性的优化设计提供依据。模态分析技术的应用可归结为一 下几个方面: (1)评价现有结构系统的动态特性; (2)在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化 设计; (3)诊断及预报结构系统的故障; (4)识别结构系统的载荷。 6. 结论 利用有限元方法的高速铁路H型钢柱的优势,能够对模 型试验条件所产生的误差进行仿真分析,H型钢柱结构也具 有固有频率和模态振型,这些特性取决于确定结构固有频率 和模态振型的结构质量和刚度分布。本文应用计算机三维制 图建立数学模型,通过有限元理论,建立了 H型钢柱的有限 元模型,通过模型的模态分析,得到了模型的5个谐振频率, 以及各频率下该型号H钢柱在谐振频率下的最大和位移,对 研究H型钢柱结构的固有特性,理解固有频率和模态振型, 有助于设计H型钢柱更优的结构。 参考文献: [1] 《有限元分析:ANSYS理论与应用》 [2] 于万聚.高速电气化铁路接触网.成都:西南交通大 学出版社,2003. [3] 曾攀.有限元分析基础教程(ANSYS算例).清华大学, 2008.