第6期(总第145期)
2007年12月机械工程与自动化
M ECHAN IC AL EN GIN EERIN G & A U TO M A T IO N N o.6
Dec.
文章编号:1672-6413(2007)06-0016-03
基于有限元的接触网接头线夹应力分析
罗亚敏，万 毅，林 飞，邓 斌，杨志军
(西南交通大学，四川 成都 610031)
摘要：较全面地叙述了接触网接头线夹应力强度的有限元分析方法。其中主要包括建立有限元模型和利用AN SY S 有限元分析软件进行应力分析，并得出不同载荷情况下零部件的应力分布情况，为整个接触网系统的钢结构有限元分析系统研究提供了基础数据和可行的方法；为提高接触网系统可靠性作出了有益的探讨。关键词：结构可靠性；接触网接头线夹；有限元分析中图分类号:
T P273∶TB115 文献标识码:
A
收稿日期:
2007-04-01；修回日期:
2007-06-21
作者简介：罗亚敏(1975-)，女，湖南郴州人，硕士研究生。
0 引言
随着列车运行速度的提高，对接触网系统可靠性的要求越来越高，线夹是接触网的主要承力部件之一，对接触网的安全运行起着重要作用。传统设计方法已不能满足日益提高的可靠性需求，因此有必要对线夹零件在不同工况载荷下的应力分布情况进行分析，为接触网系统可靠性的研究提供基础数据。1 建立计算模型
图1为接触网接头线夹结构简图，主要零件包括线夹本体和紧固螺栓，总体重量为1.252kg ，最大工作荷重为11.5kN ，破坏荷重为100kN 。线夹本体和紧固螺栓所用材料及其特性见表1
。
1——圆柱销;2——夹边;3——螺栓;4——夹体
图1 接触网接头线夹结构简图
表1 材料性能
零件名称材料屈服极限(M Pa)强度极限(M Pa)
线夹本体ZCu Al10Fe3-515螺栓
1Cr18Ni9Ti
300
550
控制参数为螺栓预紧力和接触线张力，其中接触
线张力设计为15kN ，因为安装时的差异和旋转腕臂的转动，接触线张力变化为11%。同时还应考虑因为外部条件的变化而引起的接触线张力变化，主要因素为风负载。根据受电弓滑板的最大工作宽度，铁路工程技术规范规定，在最大计算风速条件下，接触线对受电弓中心的最大水平偏移值不应超过500mm 。根据受风偏移值与风压的计算公式，可以得到不同的风速对风偏移值的影响，进而得出对接触线张力的影响。风偏移值b j 的计算公式为:
b j =P j ·l 2
8T j 。(1)…………………………………式中:l ——接触线长度;
T j ——接触线张力;
P j ——接触线单位长度风载荷。
在风速为0m /s ～45m /s 的范围内，随机选取15组数值，代入式(1)，可得出不同风速对接触线张力的影响，见表2。2 建立有限元模型
按照厂家提供的接头线夹尺寸，在UG 里建立接头线夹实体模型，见图2。
将实体模型导出成Parasoild 格式，再导入AN SYS 软件，选用So lid 92四面体单元，采用自由划分网格，得到单元数为105861，节点数为210254。在
AN SYS 进行计算过程中，因为节点数庞大，硬件设施
存在限制，使计算无法进行，考虑到连接线夹的结构对称性非常好，因此在实际计算中只计算1/2长度，对计算精度不产生影响。
赫赫有名的近义词
表2 不同风速对接触线张力的影响
序号风速(m /s )预紧力矩(N ·m )
接触线张力(kN )
10.00055.00013.35027.23157.01513.839311.60756.74716.
青年图片
568415.60458.
445
15.173519.89163.38014.534624.76261.83814.727725.45759.41914.818826.44562.68115.547928.82159.84613.4971030.17661.02015.3701131.05858.46613.6951235.
936
59.
525
14.
660
1338.410
63.67213.8221441.01057.93216.27115
44.20360.20315.880
在上部导线的两端设定约束，约束x 、y 两个方向,z 方向不设约束。吊弦的作用对线夹的影响不大，
在计算中可忽略，螺栓预紧力运用AN SYS 专用预紧力加载方式进行加载，接触线张力采用集中力的形式平均分配到接触线截面上。按照实际工作状态，先分级加螺栓预紧力，然后再加工作载荷，进行求解。选择等效应力(SEQV )作为分析的基本物理量，并记录下位移情况，以分析线夹本体对接触线的影响。3 计算结果分析
接头线夹局部V .Mis 应力云图见图3。
不同工况下，分别在螺栓、接触线和线夹本体上取出相应部位的应力值，为利用神经网络等方法估算连接线夹可靠性指标提供数据样本，计算结果见表3。
图2 接头线夹实体模型
鹤字成语图3 接头线夹局部V .Mis 应力云图
表3 计算结果
Pa
螺栓
接触线
线夹本体
最大值
中间位置
一般位置
凸起位置
凹陷位置凸起位置
螺栓孔处
3.59×108 2.24×108 1.14×108 5.18×108 3.98×108 1.31×108 2.29×1083.68×108 2.29×108 1.32×108 5.31×108
4.08×108 1.34×108 2.35×1083.68×108 2.29×108 1.25×108
5.31×108 4.08×108 1.34×108 2.35×1083.74×108 2.33×108 1.31×108 5.40×108 4.15×108 1.36×108 2.39×1083.75×108 2.34×108 1.34×108 5.44×108 4.15×108 1.36×108 2.39×1083.80×
108 2.36×108 1.52×108 5.47×108 4.20×108 1.38×108 2.42×1083.89×108 2.43×108 1.30×108 5.62×108 4.32×108 1.42×108 2.48×1083.84×108 2.46×108 1.35×108 5.52×108 4.30×108 1.40×108 2.45×1083.98×108 2.49×108 1.26×108 5.76×108 4.42×108 1.45×108 2.54×1084.06×108 2.53×108 1.40×108 5.86×108 4.50×108 1.48×108 2.59×1083.74×108 2.33×108 1.23×108 5.40×108 4.15×108 1.36×108 2.39×1083.56×108 2.21×108 1.47×108 5.12×108 3.93×108 1.29×108 2.26×1083.61×108 2.24×108 1.36×108 5.20×108 3.99×108 1.31×108 2.30×1083.82×108
2.38×108 1.28×108
5.52×108
4.23×108 1.39×108
2.44×108
3.67×108
2.29×108 1.21×108
5.30×108
4.07×108 1.33×108
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3.61×108 2.24×108 1.51×108 5.20×108 3.99×108 1.30×108 2.29×1083.74×108 2.33×108 1.25×108 5.40×108
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从线夹外部来看，整体上应力集中现象不明显，而
事实上，应力在线夹本体和螺栓杆上形成了集中。从图3中可以看出，应力比较大的部位为螺栓孔附近和线夹本体上与接触线相接触的沟槽附近，前者应力值较后者小。因此，线夹本体的危险截面是与接触线相接触的沟槽，在螺栓预紧力矩为60N ·m 的情况下，应
力值达到380M Pa ，接近材料的屈服极限，这是因结构需要而被削弱了的截面。如果要改善这个部位的应力集中情况，可以采用减小螺栓预紧力矩的方法，在保证螺栓预紧力矩的同时，又要保证对接触线的摩擦力，这就需要对接触面进行优化，加大摩擦系数，可采用在线夹本体齿廓上切槽的方法。
·
17· 2007年第6期 罗亚敏，等：基于有限元的接触网接头线夹应力分析
图4为螺栓杆和接触线的V.Mis 应力云图，螺栓杆中部的应力值与理论计算结果非常接近，说明了计算模型的正确性，螺栓杆与螺帽接触的部位形成应力集中，应力值达到346M Pa，超过材料的疲劳极限，螺栓进入屈服状态，建议采用屈服极限较高的材料2Cr13
。
图4 螺栓杆和接触线的V.Mis 应力云图
接触线受张力和线夹本体的侧向压力作用，其应
力集中点出现在接触线与线夹过渡的部位，由于外部
环境的变化，连接线夹随风摆动，在过渡区域出现反
复折弯，容易造成接触线的疲劳失效。参考文献:[1] 署桓木，仝兴化.工程有限单元法[M ].山东：石油大学出
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211-213.Stress Analysis of the Catenary Joint Clamp Bad on ANSYS
LUO Ya -min ,WAN Yi ,LIN Fei ,DENG Bin ,YANG Zh i
-jun (Sou th w es t J iaotong Univ ersity ,Ch engd u 610031,China )
Abstract
:The ar ticle describes the FEM w hich is ud in th e st ress intensity analy sis of ca tena ry joint clamp ,including th e building o f finite element model and str ess analy sis by AN SY S,gains the str
ess dist ributio n o f the pa rt in different lo ad cas.The ba sic data and feasible w ay fo r the FEM analysis system studies of the steel str uc ture a re prov ided .The study lay s the ba sis fo r im pr oving the str uctur e reliability of th e ca tena ry sy stem.Key words :structur e reliability;catenar y joint clamp;FEM ana ly sis
(上接第15页)
参考文献:
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Extracting and Saving Techniques of Machining Feature Information Bad on SolidWorks
C HEN Shu -xiao ,QI N Hui -bin ,WU Shu -f ang ,WANG Zong -yan
(No rth Univ ersity of China,Taiyuan 030051,China)
Abstract :It is v e ry impor tant fo r th e integ ration o f CA D &CA PP tha t the machining featur e info rmation must be ex t racted fro m
desig n mo dels .T his paper br ough t up the conceptio n o f machining featur e and the compo sitio n of machining fea ture infor matio n .With the V isual Basic a nd co ndary dev elopment tech no lo gy o f So lidW or ks,taking a desig n mo del a s exa mple,this paper co mple ted the ex trac ting and sav ing of machining fea ture info rma tio n successfully.屏风山
Key words
:machining fea ture ;CA PP ;info r ma tio n ex t racting ;saving ·
18· 机械工程与自动化 2007年第6期
