1 前言
接觸網是沿線路架設的、專門為機車提供電能的供電網絡，機車通過受電弓或集電靴與接觸網滑行接觸而取得電能。接觸網是一個無備用的系統，因此其正常運行對系統各組成部分的要求非常高。
通俗地講，接觸網系統的仿真可分為受流和受力，受流是指弓網關系分析，受力是指各種支持結構的分析。通用有限元分析軟件ANSYS的功能強大，在電氣化鐵路接觸網工程中發揮了巨大作用，下面對相關應用情況進行介紹。
2 腕臂支持結構
腕臂支持結構在接觸網系統中起支撐定位的功能，并承受機械與電氣荷載作用。通過對腕臂結構的分析與優化設計可以提高其穩定性，改善受流質量。腕臂結構以最接近實際裝置的型式建模，包括定位環、支持器、承力索支持座等連接件，單元類型選用BEAM188，采用環形斷面CTUBE模擬腕臂管、定位管與定位器，采用實心圓形斷面CSOLID模擬連接零件。
采用腕臂結構參數化分析程序，對大秦線2億噸擴能電氣化配套工程中既有腕臂結構利舊的可行性進行了分析，為確定利舊原則提供了參考。對京滬高速鐵路接觸網支柱與聲屏障合建方案中所采用的腕臂結構進行了參數影響分析，為合建方案的取舍提供了技術依據。平腕臂結構和弓形腕臂結構參見圖1。
圖1 腕臂結構模型
3 接觸網支柱
國內電氣化鐵路中應用的接觸網支柱類型較多，客運專線鐵路上一般采用H型鋼柱和圓鋼管柱，時速200公里及以下鐵路一般采用橫腹桿式預應力混凝土支柱、環形等徑預應力混凝土支柱和格構式鋼柱。
3.1 H型鋼柱
2006年鐵道部要求在客運專線鐵路中采用H型鋼柱，型鋼斷面符合德國標準。工作狀態下H型鋼柱同時承受彎、壓、剪、扭的作用，設計應保證其強度、剛度和穩定性滿足要求。我國鋼結構設計規范GB 50017-2003中規定了H型鋼柱壓彎整體穩定的計算方法，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度計算方法。在編制鐵路工程建設通用參考圖和支柱鐵道行業標準時，采用ANSYS進行了彎壓剪扭強度校核，對柱腳型式進行了分析，根據試驗結果對理論計算進行修正，滿足了工程建設的要求。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、受壓時承載能力折減大和截面尺寸不統一等問題，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計規范修訂前，鋼管柱的設計往往由剛度控制，其材料強度不能充分發揮。規范修訂后，鋼管柱的設計由強度控制或與剛度同時控制，技術經濟性能得到改觀。鋼管柱采用的原材料是常用材料，各大鋼廠均能生產，有利于及時保證供貨工期和鐵路建設需求。與H型鋼柱相比，每百公里造價可節省10～30%。
當容量（支柱的彎矩承載能力標準值）較大時，可在鋼管柱內部增設加強板以提高其承載能力，而外形尺寸不變。即將發布的鐵路通用參考圖《電氣化鐵路接觸網鋼管柱》即是采用ANSYS進行分析。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景觀優化設計中，采用ANSYS分析設計了鋼管支柱、鋼管硬橫跨和無拉線下錨雙支柱等新穎結構型式，使接觸網同時滿足功能要求和景觀要求，實施效果顯著，受到了各方面的贊譽。后來對無拉線下錨支柱進行深入研究，開發了無拉線下錨單支柱。
3.3 格構式鐵塔
格構式鐵塔具有承載能力高、結構型式靈活、安裝簡便、重量輕、造價低等優點，大量用于橋上腕臂柱、車站軟橫跨支柱和硬橫跨支柱。以往在設計鐵塔時，常將其簡化成單片桁架按二維平面結構進行手工計算，精度和效率較低。后采用ANSYS參數化設計語言APDL開發了常用鐵塔的分析程序，建立了角鋼截面庫，桿件的局部穩定性根據規范要求自動校核。應用這些分析程序，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。格構式鐵塔的模型參見圖4。
圖4 格構式鐵塔模型
3.4 環形預應力混凝土支柱
在京滬高速鐵路昆山試驗段進行基礎穩定性試驗時發現，環形預應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，采用混凝土結構設計規范規定的方法計算彎矩增大系數，也無法解釋該現象，因此考慮采用有限元方法進行分析。混凝土采用SOLID65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行了初步計算，尚未開展詳細分析。
圖5 環形預應力混凝土支柱
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受流，硬橫跨應具有承載能力高、穩定性好、跨越能力大等特點。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式硬橫跨。為了改善接觸網的景觀效果，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），替代原來的角鋼結構硬橫跨，景觀效果得到提升。鋼管硬橫跨設計圖經過完善已上升為部頒通用圖，在后續建設的客運專線中推廣應用。圖6給出了幾種工程中應用的硬橫跨模型，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
在接觸網下錨拉線的設計中，常假設柱底鉸接，采用簡單的力矩平衡方法計算拉線的拉力，進而選擇拉線規格及配套的零部件型號。這種方法簡單實用，偏于安全。
隨著高速鐵路接觸懸掛張力的提高，采用常規方法設計的拉線將出現拉線根數多、安裝不方便、不經濟等問題。京滬高速鐵路設計中采用有限元方法準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 接觸網零部件
接觸網零部件種類較多，運營中也最容易出問題，因此零部件的強度和疲勞分析非常重要，目前這部分應用也最薄弱。根據計算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓預緊力產生的安裝應力占較大比重，而工作應力相對較小。對這些零部件而言，如果采用的緊固力矩不恰當，就有可能在施工安裝過程中對其造成損傷，進而逐步失效，危及行車安全。圖8為絕緣支架、地鐵防爬器和定位環的模型。
圖8 接觸網零部件
7 柔性接觸網動態仿真與接觸線疲勞壽命分析
接觸網－受電弓系統的受流（能量傳遞）過程是隨著受電弓和接觸網之間的相對運動，在動態中完成的。對于同一系統而言，列車速度越高，維持弓網之間良好的接觸性能越困難，受流質量也隨之下降，當速度超過系統正常允許范圍以上時，受流性能會嚴重惡化，甚至影響列車正常運行。因此高速受流是高速鐵路的關鍵技術之一。
在高速情況下，受電弓的抬升力在空氣動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，離線率增加，而且還會引起定位器抬升過高，造成受電弓撞擊定位管；過高的抬升量還會使接觸線彎曲應力增加，而容易引起壽命期間內的疲勞斷線。因此應控制接觸線的抬升量以避免對系統的損傷。
為了分析弓網關系與接觸線的疲勞壽命，結合ANSYS平臺開發了基于有限元的接觸網動態仿真系統CatFEM。該系統包括靜態找形、弓網動態模擬和接觸線疲勞分析三個功能模塊。接觸懸掛類型包括簡單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛。需要考慮疲勞時，承力索和接觸線采用梁單元模擬，不計算疲勞時采用桿單元模擬以提高運算速度。目前該系統剛初具形態，尚有許多方面需要完善。圖9給出了弓網耦合模型、弓網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
8 剛性接觸網仿真
越來越多的城市軌道交通項目的接觸網懸掛類型采用架空剛性懸掛系統，但剛性懸掛動態模擬系統的研究相對滯后，實際運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用和高速化的發展。
與柔性懸掛相比，剛性懸掛的靜態彈性很小，且不均勻，懸吊點與跨中的彈性約差三個數量級。通過對懸吊結構等效模型的分析，確定了影響懸吊結構彈性的關鍵因素，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了城市軌道交通剛性懸掛一體化彈性裝置，試運營證明該裝置可改善剛性懸掛系統的彈性，有利于提高受流質量和列車運行速度，同時可減少接觸線磨耗。
在仿真系統研制過程中，最初將懸吊結構簡化為帶集中質量的彈簧，剛性懸掛的計算模型為有彈性支撐的連續梁模型。后按懸吊結構的實際構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具有靜態彈性、模態分析和動態模擬功能，可考慮的因素包括跨距不均勻布置、機車勻加速行駛、匯流排接頭、接觸網坡度、接觸線不平順等，受電弓的數量包括單弓、雙弓和三弓，受電弓模型包括二元和三元質量模型。
9 結論
以上介紹了ANSYS在接觸網工程中的初步應用情況，開發的程序以APDL為主，用戶界面較差，不便于推廣應用。需在以下幾個方面做進一步研究和開發：采用Tcl/Tk語言編制圖形用戶界面；開發通用的腕臂結構分析系統；完善提升柔性懸掛和剛性懸掛仿真系統建模、運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。最終目的希望開發出功能完備的接近商業軟件水平的工程設計分析系統，一般工程師均可操作應用，而非僅限于專業人員。
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本文標題：ANSYS在電氣化鐵路接觸網工程中的應用
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