25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 1 揚州大學廣陵學院 畢業設計 (論文 )開題報告 學 生 姓 名： 學 號： 專 業： 機械設計制造及其自動化 設計 (論文 )題目： 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 指 導 老 師： 2014 年 3 月 12 日 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 2 揚州大學廣陵學院本科生畢業設計（論文）開題報告 設計（論文）題 目 25 米高桿路燈燈桿的力學計 算與有限元分析 題目來源 指導老師出題 題目類型 為結合科研 指導教師 學生姓名 學 號 專 業 機械設計制造及其自動化 開題報告內容：（調研資料的準備與總結，研究目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段、 內容及時間安排；完成畢業設計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業設計（論文）課題應達到的目的： （ 1）培養學生的調查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （ 2）培養學生的工程設計能力，主要包括設計、計算及繪圖能力； （ 3）培養學生的綜合運用專業理論知識，分析解決實際問題的能力； （ 4）培養學生的在設計過程中使用計算機的能力； （ 5）培養學生的撰寫設計說明書、論文的能力； （ 6）培養學生創新能力和創新精神。 本畢業設計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內 容 2014-02-222014-03-31 2014-04-1 2014-05-30 2014-06-01 2014-06-07 畢業設計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業設計，學習有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析 模擬結果，接收畢業設計中期檢查，撰寫畢業設計論文 ； 修改完善畢業論文、準備畢業答辯、整理畢業設計期間的所有資料、成果并歸檔。 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 3 文 獻 綜 述 1、引 言 高桿燈以節能、維修方便、集中照明等優勢受到了人們的廣泛歡迎，尤其在道路互道立交、港口、碼頭、機場、體育場、貨場、施工工地等場合，都需要使用具有強照明能力的燈具。 簡介高桿燈及有限元計算分析 目前的高桿燈 主要 是高度在 15 米以上鋼制柱形燈桿和大功率組合式燈架構成的新型照明裝置。它由燈頭、內部燈具電器、桿體及其基礎部分組成。內部燈具多由泛光燈 和投光燈組成。 隨著計算機技術的不斷發展 有限元法越來越多地應用于計算機輔助工程領域，但就目前來說還沒有普及到通用設施領域；不過在別的領域如汽車制造應用的已經非常廣泛。應用 ANSYS大型商用有限元軟件，對路燈燈桿結構進行有限元計算。分析燈桿結構在自重、風載、雪載等多種載荷作用下的應力應變場分布情況，分析路燈燈桿結構的強度與剛度是否符合設計要求，并在此基礎上進行了改進設計，以降低燈桿的重量與成本。 高桿燈各大部件的設計概況 （ 1） 燈源的選擇 高壓鈉燈：是中氣體放電的燈，需要在玻殼內沖入鈉汞蒸汽， 才能通過電極電離氣體，激發可見光，壽命長，功率高，透霧性好，顯色指數低。 低壓鈉燈：是利用低壓鈉蒸氣放電發光的電光源，在它的玻璃外殼內涂以紅外線反射膜，是光衰較小和發光效率最高的電光源，但國內應用少。 金鹵燈：是交流電源工作的在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣中產生電弧放電發光的放電燈，光效高，顯色指數高，但壽命低且昂貴，路燈應用較少，可在關鍵路口使用照明。 （ 2） 燈桿桿體形狀選擇 目前 ,國內安裝使用的高桿燈的桿體 ,常見圓臺型焊接式和正 12棱臺型套接式兩種。前者是在安裝現場把多節圓臺型桿體當場焊 接成型 ,整桿起吊安裝 ；后者在安裝現場分節起吊 ,逐步套接安裝。這僅是表象的區別。從建筑力學和抗風荷載的本質特性來分析 ,兩者的靜力學特征和抗風荷載的情況 ,卻有著顯著的差異。圓臺型燈桿的體形風壓系數為 0.8；而正 12棱臺燈桿的體形風壓系數 : us=0.8+1.2/n=0.8+1.2/12=1.1464(n 正棱臺的邊數 12)1。換言之 ,同一高度橫截面積相等的兩種型式的高桿燈 ,它們在同等風速下 ,正 12棱臺燈桿所受到的風荷載作用力將是圓臺型燈桿的 1.433倍。那么 ,在這情況下 ,為了使這兩種造型的燈桿具有相同的抗風 荷載能力及相同的安全系數 ,正 12棱臺型燈桿的桿體鋼板的壁厚、同一高度處的截面積、甚至是地腳緊固螺栓的直徑等都必須 比圓臺型桿體來得大 ,高桿燈整體耗材也大。雖然正 12棱臺型燈桿省去了安裝現場焊接的麻煩 ,但桿體間的多節套接 ,增加了桿體的實際長度。 其次 ,正 12棱臺套節式燈桿各分套節的成型 ,是預先裁切的梯形鋼板料在特大功率的折彎機上彎折 12條棱線后 ,由自動焊接機焊接成正 12棱臺型分節鋼筒。鋼板在形變中 ,剛度必受挫損。而圓臺型燈桿的桿體橫截面為一個圓 ,從 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 4 幾何力學來看 ,圓的剛度比正 12邊形大得多 ,所以相同截面 積的圓臺型燈桿比起正 12棱臺型燈桿的抗風荷載能力大得多。但也有人懷疑圓臺型分節桿體在高桿燈安裝過程中 ,各分節之間的對口碰焊在抗風荷載中的強度問題。其實 ,在各分節對口碰焊處的桿體內 ,內襯一小段鋼環 (見圖 1),使其同時焊連在碰焊縫內側桿體上 ,再加上電焊燒結的理化特性 ,碰焊縫處的剛度和強度大大增強。 （ 3） 燈盤形狀的選擇 ： 高桿燈燈盤方面高桿燈的主要重量集中在桿頂的燈盤之上，而且高桿燈的外觀也很大程度上由燈盤的外形決定。優美得體的燈盤不僅可以減輕對燈桿的風荷載負荷，而且與周圍建筑物的諧和也是現代化 城鎮的一道風景線。 從風荷載計算，還是使用實踐來看，燈盤的直徑能小則小，漏空系數能大則大。這樣，燈盤所受的風荷載作用就小，對桿體和基座的威脅也小。 從力學角度分析，即使對于被照區域的照明半徑大、照度要求高、布燈多的高桿燈，設計時燈盤的直徑一般不要大于桿高的 1/7。幾種燈盤的設計形式有 :蘑菇形、牽牛花形、盤花形、飛碟形。 如果高桿燈出現燈桿振動過大，長期過大振動會提前疲勞損壞，特別是過大的振動量和不合適的頻率易使照明燈泡壽命降低。所以，高桿燈設計時必須考慮不同地區的風力特征、激勵的風譜、如何抗擊風振等避免燈 桿振動過大。同時高桿燈的底座 ,一般取 25mm厚的鋼板做成圓環形 ,通過桿根外圍的支撐板與其連接以增加承受強度。環形底板的圓形面積盡可能做大些 ,以增大與基礎的接觸面 ,增大整基高桿燈的地面部分的穩度 ,減少對基礎的壓強。 （ 4） 高桿燈的升降控制 燈盤的升降系統是由電動機，減速機，傳動齒輪，輪軸，鋼索和滑軸組組成的卷揚機組。卷揚機組電動升降燈盤的過程和燈盤上照明燈具自動啟閉都離不開電器控制，這兩個部分一起成為高桿燈的電器控制系統。 （ 5） 燈盤的自動掛，脫鉤裝置 國內外的高桿燈 ,燈盤在桿 頂處的自動掛、脫鉤始終是高桿燈技術中的一大難題 ,因燈盤上升至桿頂時 ,由于高空的氣流或風速的影響 ,使燈盤產生的不平衡而導致三只掛鉤未能同時順利返轉 ,使掛鉤 難以成功。在燈盤下降前的脫鉤過程中 ,因掛鉤部位受風雨侵蝕 ,又不需同時脫鉤。為此 ,不得不反復啟動燈盤以求達到燈盤掛、脫鉤的目的。可采用電磁閥掛脫鉤裝置。 優化設計 優化設計是一種尋找確定最優設計方案的技術。所謂最優設計，指的是一 種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出 (如重量、面積、體積、應力、費用等 )最小。即，最優設計方案就是一個最有效率的方案。設計 方案的任何方面都是可以優化的，比如說 :尺寸 (如厚度 )、形狀 (如過渡圓角的大小 )、支撐位置、制造費用、自然頻率以及材料特性等。實際上，所有可以參數化的 ANSYS選項均可以作優化設計。 ANSYS提供了兩種優化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數的優化問題。零階方法是一個很完善的處理方法，可以有效地處理大多數工程問題。一階方法基于目標函數對設計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優化分析。對于這兩種方法， ANSYS提供了一系列的分析 評估 修正的循環過程。就是對于初始設計進行分析，對分析結構就設計要求進行評估，然 后修正設計。這一循 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 5 環過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止。在 ANSYS的優化設計中包括的基本定義有 :設計變量、狀態變量、目標函數、合理和不合理的設計、分析文件、迭代、循環、設計序列等。 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 6 主要參考文獻 1 高層建筑結構設計與施工問答 M.上海 :上海同濟大學 ,1995 2 淺談高桿燈的總體設計制作 M. 石聽安 /武進照明電器研究所 3 三十米高桿燈的風致振動的測量研究 M. 諸葛鴻程，李德葆 (清華大學工程力學系 ,北京 100084) 1998.5 4 高桿燈桿體強度與撓度分析 M. 俞曉紅姜永生（交通部水運科學研究所北京 100088） 5 太陽能路燈照明系統的受力分析與強度效核 M. 許基朵（成都鐘順科技發展有限公司四川成都 610064） 6 高桿燈總體設計概論 M. 石聽安 (常為市新北區呂墅中學 ,213132) 2003.3 7 高桿燈承受最大風荷載時緊固地腳螺栓的拉力計算 M. 石聽安 (江蘇武進市照明電器廠 武進市 213117 1999 8 鈮在強化超合金中的作用 (李惠平 ) 9 35米高桿燈基礎設計施工新方法 曹守海 (丹東港務局 ) 10 高桿燈的介紹與施工 北京市第五市政工程公司機電分公司工程師竇劍飛 11 淺議高桿燈塔開發與應用 沈陽鐵路局錦州勘測設計院趙拘傳 12 高 桿 照 明 技 術 姜啟鵬 1998 13 港口固定式高桿照明燈的改造 山東省龍口港務管理局仲杰 14 高桿照明系統的應用和結構 上海鐵路局勘設所 蔡君偉 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 7 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 課題 ： 25米高桿 路燈 桿 燈的有限元分析 研究和解決的問題 ：建立 25米高桿路燈燈桿的有限元計算模型，對承受自重、風載、 雪載等多種載荷作用下的燈桿進行有限元計算，分析 25米高桿路燈燈桿在應力應變場分布情況以及變形情況，研究路燈燈桿結構的強度與剛度是否符合設計要求。 擬采用的研究手段： 燈桿的整體設計時 ,必須以風荷載計算為依據。參照高桿燈安裝現場所在地區的 50年一遇的最大風速下 ,所經受到的最大風荷載作用 ,(個別地方 ,還須考慮周圍氣霧的影響 )復核計算擬定的高桿燈桿根處應承受的總風荷載彎矩 (也叫傾覆力矩 )及各分節桿體的力學特征 ,同時更應該測算高桿燈底板的直徑和底板上地腳緊固螺栓孔的個數 ,以及螺栓孔中心圓的直徑。 在 運用 ANSYS 軟件設計燈桿模型時，用有限元程序對燈桿進行整體分析，所以本文工作應從以下幾個方面著手，其主要工作是： （ 1）了解高桿燈的功用與要求 （ 2）簡單介紹有限元法與 ANSYS 軟件。 （ 3）用 solidworks 進行三維建模。