1 前言
接触网是沿线路架设的、专门为机车提供电能的供电网络，机车通过受电弓或集电靴与接触网滑行接触而取得电能。接触网是一个无备用的系统，因此其正常运行对系统各组成部分的要求非常高。
通俗地讲，接触网系统的仿真可分为受流和受力，受流是指弓网关系分析，受力是指各种支持结构的分析。通用有限元分析软件ANSYS的功能强大，在电气化铁路接触网工程中发挥了巨大作用，下面对相关应用情况进行介绍。
2 腕臂支持结构
腕臂支持结构在接触网系统中起支撑定位的功能，并承受机械与电气荷载作用。通过对腕臂结构的分析与优化设计可以提高其稳定性，改善受流质量。腕臂结构以最接近实际装置的型式建模，包括定位环、支持器、承力索支持座等连接件，单元类型选用BEAM188，采用环形断面CTUBE模拟腕臂管、定位管与定位器，采用实心圆形断面CSOLID模拟连接零件。
采用腕臂结构参数化分析程序，对大秦线2亿吨扩能电气化配套工程中既有腕臂结构利旧的可行性进行了分析，为确定利旧原则提供了参考。对京沪高速铁路接触网支柱与声屏障合建方案中所采用的腕臂结构进行了参数影响分析，为合建方案的取舍提供了技术依据。平腕臂结构和弓形腕臂结构参见图1。
图1 腕臂结构模型
3 接触网支柱
国内电气化铁路中应用的接触网支柱类型较多，客运专线铁路上一般采用H型钢柱和圆钢管柱，时速200公里及以下铁路一般采用横腹杆式预应力混凝土支柱、环形等径预应力混凝土支柱和格构式钢柱。
3.1 H型钢柱
2006年铁道部要求在客运专线铁路中采用H型钢柱，型钢断面符合德国标准。工作状态下H型钢柱同时承受弯、压、剪、扭的作用，设计应保证其强度、刚度和稳定性满足要求。我国钢结构设计规范GB 50017-2003中规定了H型钢柱压弯整体稳定的计算方法，但未给出承受双向弯曲、垂直压力、水平剪力和扭矩作用下的强度计算方法。在编制铁路工程建设通用参考图和支柱铁道行业标准时，采用ANSYS进行了弯压剪扭强度校核，对柱脚型式进行了分析，根据试验结果对理论计算进行修正，满足了工程建设的要求。H型钢柱的柱脚有限元模型参见图2。
图2 H型钢柱柱脚有限元模型
3.2 钢管支柱
H型钢柱存在抗扭性能差、受压时承载能力折减大和截面尺寸不统一等问题，而采用圆形钢管柱和方形钢管柱可替代H型钢柱解决这些问题。钢管支柱截面尺寸较小，在铁路电力牵引供电设计规范修订前，钢管柱的设计往往由刚度控制，其材料强度不能充分发挥。规范修订后，钢管柱的设计由强度控制或与刚度同时控制，技术经济性能得到改观。钢管柱采用的原材料是常用材料，各大钢厂均能生产，有利于及时保证供货工期和铁路建设需求。与H型钢柱相比，每百公里造价可节省10～30%。
当容量（支柱的弯矩承载能力标准值）较大时，可在钢管柱内部增设加强板以提高其承载能力，而外形尺寸不变。即将发布的铁路通用参考图《电气化铁路接触网钢管柱》即是采用ANSYS进行分析。带弯臂的钢管柱模型参见图3。
图3 带弯臂的钢管柱
在京津城际铁路北京南站接触网景观优化设计中，采用ANSYS分析设计了钢管支柱、钢管硬横跨和无拉线下锚双支柱等新颖结构型式，使接触网同时满足功能要求和景观要求，实施效果显著，受到了各方面的赞誉。后来对无拉线下锚支柱进行深入研究，开发了无拉线下锚单支柱。
3.3 格构式铁塔
格构式铁塔具有承载能力高、结构型式灵活、安装简便、重量轻、造价低等优点，大量用于桥上腕臂柱、车站软横跨支柱和硬横跨支柱。以往在设计铁塔时，常将其简化成单片桁架按二维平面结构进行手工计算，精度和效率较低。后采用ANSYS参数化设计语言APDL开发了常用铁塔的分析程序，建立了角钢截面库，杆件的局部稳定性根据规范要求自动校核。应用这些分析程序，已完成了软横跨钢柱、双线路腕臂柱、直形桥钢柱和斜腿桥钢柱通用图的编制。格构式铁塔的模型参见图4。
图4 格构式铁塔模型
3.4 环形预应力混凝土支柱
在京沪高速铁路昆山试验段进行基础稳定性试验时发现，环形预应力混凝土支柱的挠度及开裂弯矩在水平加载与斜向加载情况下相差很大，采用混凝土结构设计规范规定的方法计算弯矩增大系数，也无法解释该现象，因此考虑采用有限元方法进行分析。混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用LINK8单元，模型见图5。目前仅建立了支柱的模型并进行了初步计算，尚未开展详细分析。
图5 环形预应力混凝土支柱
4 硬横跨
硬横跨一般在车站和多线桥上采用。为保证接触悬挂的安装定位与良好的弓网受流，硬横跨应具有承载能力高、稳定性好、跨越能力大等特点。城轨交通和地铁一般采用断面较小的单钢管硬横跨和H型钢硬横跨，交流电气化铁路一般采用断面较大的格构式硬横跨。为了改善接触网的景观效果，在京津城际铁路北京南站和天津站采用了钢管硬横跨（横梁为三钢管，支柱为单钢管），替代原来的角钢结构硬横跨，景观效果得到提升。钢管硬横跨设计图经过完善已上升为部颁通用图，在后续建设的客运专线中推广应用。图6给出了几种工程中应用的硬横跨模型，其中“三钢管硬横跨”为京津城际铁路采用的型式。
图6 硬横跨模型
5 下锚拉线
在接触网下锚拉线的设计中，常假设柱底铰接，采用简单的力矩平衡方法计算拉线的拉力，进而选择拉线规格及配套的零部件型号。这种方法简单实用，偏于安全。
随着高速铁路接触悬挂张力的提高，采用常规方法设计的拉线将出现拉线根数多、安装不方便、不经济等问题。京沪高速铁路设计中采用有限元方法准确地分析拉线的受力和锚柱的变形，很好地解决了这些问题。带拉线锚柱的变形参见图7。
图7 带拉线锚柱变形图
6 接触网零部件
接触网零部件种类较多，运营中也最容易出问题，因此零部件的强度和疲劳分析非常重要，目前这部分应用也最薄弱。根据计算分析，含螺栓的大部分零部件中由螺栓预紧力产生的安装应力占较大比重，而工作应力相对较小。对这些零部件而言，如果采用的紧固力矩不恰当，就有可能在施工安装过程中对其造成损伤，进而逐步失效，危及行车安全。图8为绝缘支架、地铁防爬器和定位环的模型。
图8 接触网零部件
7 柔性接触网动态仿真与接触线疲劳寿命分析
接触网－受电弓系统的受流（能量传递）过程是随着受电弓和接触网之间的相对运动，在动态中完成的。对于同一系统而言，列车速度越高，维持弓网之间良好的接触性能越困难，受流质量也随之下降，当速度超过系统正常允许范围以上时，受流性能会严重恶化，甚至影响列车正常运行。因此高速受流是高速铁路的关键技术之一。
在高速情况下，受电弓的抬升力在空气动力和自身惯性作用下以列车速度平方的比例大幅度增加，因而使接触线产生较大的抬升量。过高的抬升量不仅容易引起接触线的振动，离线率增加，而且还会引起定位器抬升过高，造成受电弓撞击定位管；过高的抬升量还会使接触线弯曲应力增加，而容易引起寿命期间内的疲劳断线。因此应控制接触线的抬升量以避免对系统的损伤。
为了分析弓网关系与接触线的疲劳寿命，结合ANSYS平台开发了基于有限元的接触网动态仿真系统CatFEM。该系统包括静态找形、弓网动态模拟和接触线疲劳分析三个功能模块。接触悬挂类型包括简单链型悬挂和弹性链型悬挂。需要考虑疲劳时，承力索和接触线采用梁单元模拟，不计算疲劳时采用杆单元模拟以提高运算速度。目前该系统刚初具形态，尚有许多方面需要完善。图9给出了弓网耦合模型、弓网接触力与受电弓抬升量、接触线的疲劳寿命曲线。
图9 柔性接触网
8 刚性接触网仿真
越来越多的城市轨道交通项目的接触网悬挂类型采用架空刚性悬挂系统，但刚性悬挂动态模拟系统的研究相对滞后，实际运营中存在的一些问题尚没有理论上的支持与解释，影响了刚性悬挂的推广应用和高速化的发展。
与柔性悬挂相比，刚性悬挂的静态弹性很小，且不均匀，悬吊点与跨中的弹性约差三个数量级。通过对悬吊结构等效模型的分析，确定了影响悬吊结构弹性的关键因素，提出了改善刚性悬挂弹性的措施。后与制造厂家合作研制开发了城市轨道交通刚性悬挂一体化弹性装置，试运营证明该装置可改善刚性悬挂系统的弹性，有利于提高受流质量和列车运行速度，同时可减少接触线磨耗。
在仿真系统研制过程中，最初将悬吊结构简化为带集中质量的弹簧，刚性悬挂的计算模型为有弹性支撑的连续梁模型。后按悬吊结构的实际构造和汇流排的曲线布置型式建立了刚性悬挂的三维模型，如图10所示。
图10 刚性悬挂
目前刚性悬挂仿真系统具有静态弹性、模态分析和动态模拟功能，可考虑的因素包括跨距不均匀布置、机车匀加速行驶、汇流排接头、接触网坡度、接触线不平顺等，受电弓的数量包括单弓、双弓和三弓，受电弓模型包括二元和三元质量模型。
9 结论
以上介绍了ANSYS在接触网工程中的初步应用情况，开发的程序以APDL为主，用户界面较差，不便于推广应用。需在以下几个方面做进一步研究和开发：采用Tcl/Tk语言编制图形用户界面；开发通用的腕臂结构分析系统；完善提升柔性悬挂和刚性悬挂仿真系统建模、运算速度和后处理功能；采用三维造型软件建立零部件三维实体模型库；完善接触线和零部件的疲劳分析功能。最终目的希望开发出功能完备的接近商业软件水平的工程设计分析系统，一般工程师均可操作应用，而非仅限于专业人员。
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本文标题：ANSYS在电气化铁路接触网工程中的应用
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