橫向速度是什麼意思

劉翔雲 黃松和

西南交通大學 成都 610031

摘 要：運用LS-DYNA 軟體中的APDL 命令流建立安全防護裝備防護網系統的有限元分析模型，根據電纜斷線的實際工況，利用Ansys/LS-DYNA 進行衝擊響應分析，分析了電纜斷線時高度不同情況下對電纜衝擊防護網結果的影響。

關鍵詞：跨越防護裝備；衝擊動力學；有限元；分析

中圖分類號：U298 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）18-0054-05

0 引言

在架設電力線路時，經常出現新建的電力線路和已有的鐵路線路交叉的狀況，而隨著我國電力與鐵路建設的發展，新建電力線路與既有鐵路交叉跨越的情況日益增多。根據相關規定，電力線路換線施工在跨越鐵路上方時必須對鐵路進行安全防護並取得鐵路管理部門的同意。目前常用的鐵路跨越防護方法為搭設腳手架並加裝絕緣防護網。該方法步驟繁瑣，且施工週期長、安全性低，因此設計研發了KY-18 鐵路跨越安全防護裝備，其總體結構見圖1，該裝備主要作用是在鐵路上方換電纜時對鐵路進行保護，電纜墜落時防護網系統承受電纜衝擊。針對電纜衝擊防護網系統問題，用LS-DYNA 軟體對現場可能發生的電纜墜落的工況進行分析，並分析出電纜墜落高度不同對電纜衝擊防護網系統結果的影響［1］。

1 有限元數值分析模型

1。1 工程概況

正常情況下，在鐵路上方進行高壓電導線張力放線施工情況如圖2 所示，一般採用飛行器騰空展放初級導引繩，將初級導引繩放入放線滑車內，由初級導引繩逐級展放後面的導引繩，確保初級導引繩引導導引繩進入放線滑車內，然後採用一牽一方式逐級牽引導引繩，展放完畢後收緊牽引繩，然後在張力場由牽引繩透過走板連線張力機出來的電纜，在牽引場，將牽引繩連在牽引機上，進行導線的展放。

圖1 鐵路跨越安全防護裝置總體結構

在電纜放線過程中需要進行換盤、壓接接續管、更換牽引盤等操作，也要進行放線滑車的處理工作。因為整個過程人工操作，很有可能發生因操作失誤而導致的導引繩未與電纜連線好而發生的斷線事故，其電纜斷線示意圖如圖3 所示。在電纜衝擊過程中，裝備主要受力部件為雙機的橫樑一、二級及中間的防護網，故只需建立雙機橫樑一、二級及防護網模型對其進行分析即可。

圖2 電纜正常換線示意圖

圖3 電纜斷線示意圖

1。2 材料引數

在防護網系統中，橫樑一、二級的桁架結構由矩形型材焊接而成，故採用Beam 161 單元來建立模型［2］，防護網系統中防護網由細長狀結構組成，電纜也為細長桿狀結構。在電纜衝擊防護網過程中單元並不受壓，因此防護網及電纜均採用Link 167 纜單元。防護網系統的橫樑一級採用Q355 材料，Q355 鋼的彈性模量為2。06×105 MPa ，模型簡化處理後密度調整為8。74×10-9t/mm3，泊松比為 0。28，屈服強度為355 MPa。橫樑二級為6061-T6 鋁合金材料，彈性模量為6。9×104 MPa，密度為2。83×10-9 t/mm3，泊松比為 0。33，屈服強度為245 MPa。防護網系統中網採用迪尼瑪繩材料，彈性模量為3。04×104 MPa，密度為1。88×10-9 t/mm3，電纜採用實際中的鐵路上方的JL/LB1-A240/30 型電纜，密度為883。6 kg/km，彈性模量為61。9 GPa，直徑為21。6mm，取電纜長度為30 m。

1。3 計算模型

根據裝備實際結構尺寸及材料引數建立的有限元模型 如圖4 所示。

圖4 防護網系統數值計算模型

對於橫樑一、二級計算模型，約束橫樑一級與主塔連線鉸點處以及橫樑二級與副塔迴轉架連線鉸點處的x、y、z 方向的平動自由度。電纜則根據工況不同約束兩端或一端x、y、z 方向平動自由度。電纜衝擊防護網是一個動力學問題，故將電纜的重力及重力加速度作為動力分析的動載荷。同時根據工況的不同，調整電纜距網高度，從而實現分析電纜斷線工況不同高度對沖擊結果的影響。在建模過程中忽略空氣阻力及風載的影響。在電纜衝擊防護網的接觸過程中主要產生兩種接觸，電纜與防護網的接觸以及防護網自身的接觸，在此接觸過程中，接觸部位及接觸方向之類的接觸條件不斷變化，不能輕易判斷，故在本研究過程中採用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL［3］ 接觸定義即可，動摩擦係數和靜摩擦係數均為 0。8。模擬過程中設定的求解時間為5 s，計算結果檔案輸出步數和時間歷程檔案輸出步數均為200［4］。計算模型的阻尼采用 Rayleigh 阻尼模型［5］，結構的質量阻尼以及剛度阻尼分別為 0。92 和0。002。

2 工況選擇

在進行高壓電導線的放線過程中， 由於不同施工環境中耐張塔高度不同，牽引機以及張力機放線速度不同會直接導致電纜距離防護網的高度發生改變，不同高度下的電纜斷落會使得電纜衝擊防護網時的衝擊力發生改變，進而影響到橫樑的受力狀況。為了研究電纜斷線墜落高度對沖擊結果的影響，本節設立三個數值模擬實驗，距離防護網的高度分別是6 m、8 m、10 m。均採用電纜為35 m 長的電纜，電纜位於防護網正中心上方且一端固定，電纜的初速度為0 ，在電纜上整體施加重力以及重力加速度。

3 衝擊過程分析

為研究電纜斷線後電纜衝擊防護網的過程，列出三種工況下各時刻的電纜衝擊過程圖，各時刻電纜衝擊過程圖如圖5 ～圖7 所示。

圖5 電纜6 m 高度衝擊過程

圖6 電纜8 m 高度衝擊過程

圖7 電纜10 m 高度衝擊過程

由圖5 ～圖7 可以看出，電纜斷裂後即發生下墜，電纜在空中呈現出L 狀的曲線形狀，每時刻電纜左端始終比右端的豎向位移要大，電纜在空中不僅有豎向的位移，同時也有橫向位移。在電纜接觸防護網後即進入了攔截的狀態，在防護網範圍內的電纜豎向位移及橫向位移速度減小直至靜止，防護網範圍外的電纜由於慣性則繼續向下擺動。防護網由於受到電纜的衝擊力作用也發生了豎向及橫向的位移變形，在衝擊力達到最大值後防護網的豎向及橫向位移達到最大，隨著衝擊力的減小防護網漸處於靜止狀態，此時防護網完成攔截。由於電纜在空中是一個L 形的曲線形狀，所以電纜與防護網接觸是從左到右逐漸接觸。由於電纜高度不同，電纜衝擊防護網時與網接觸的長度不同，電纜距離網的高度越高，電纜衝擊防護網時的長度越短。

4 衝擊力分析

如圖8 所示，高度為6 m、8 m、10 m 的電纜分別在1。13 s、1。28 s、1。43 s 開始出現衝擊力，表明此時電纜完成下墜開始衝擊防護網，隨著電纜逐漸與防護網接觸，電纜的衝擊力逐漸增大，分別在 1。58 s、1。75 s、1。91s 時電纜衝擊力到達最大值22。56 kN、20。86 kN、18。9kN，在衝擊力到達最大值後便開始減小，直至衝擊力減為零。根據衝擊力時程圖可知，6 m 高度衝擊力最大值>8 m 高度衝擊力最大值>10 m 高度衝擊力最大值，而根據上小節中6 m 高度衝擊電纜的長度>8 m 高度工況>10 m 高度工況，表明不同電纜高度會使電纜墜落到防護網上的長度發生變化，衝擊過程中電纜長度越長，則最大沖擊力會越大。

圖8 電纜衝擊力時程圖

5 橫樑應力分析

5。1 電纜6 m 高度工況下橫樑應力變化

電纜6 m 高度工況橫樑應力變化如圖9 所示，由圖9a 可看出6 m 高度斷線的電纜在1。132 s 剛接觸防護網時，橫樑一級與網連線的前十一根豎杆範圍均出現較大應力，最大應力為19。4 MPa。從圖9b 可以看出，1。58s 衝擊力達到最大值時，與網連線的橫樑一級以及橫樑二級前8 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為209MPa。從圖9c 可以看出，在1。62 s 與網接觸的橫樑一級以及橫樑二級前9 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為189。6 MPa。從圖9d 可以看出，在1。73 s 時與網接觸的橫樑一級以及橫樑二級前9 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力175。5 MPa。在整個衝擊過程中橫樑最大應力出現在1。58 s，此時衝擊力最大，最大應力為209MPa，符合強度要求。

圖9 電纜6 m 高度工況橫樑應力變化圖

5。2 電纜8 m 高度工況下橫樑應力變化

從圖10a 可看出，1。28 s 從8 m 高度斷線的電纜剛接觸防護網，橫樑一級與網連線的前五根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為8 MPa。從圖10b 可以看出，1。75 s 電纜對防護網衝擊力最大時與網連線的橫樑一級以及橫樑二級前6 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為206 MPa。從圖10c 可以看出，1。81 s 時與網連線的橫樑一級以及橫樑二級前6 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為181。1 MPa。從各工況圖10d 可以看出，1。85s 時與網連線的橫樑一級以及橫樑二級前6 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為178。8 MPa。在整個衝擊過程中橫樑最大應力出現在1。75 s，此時衝擊力最大，最大應力為206 MPa，符合強度要求。

圖10 電纜8 m 高度工況橫樑應力變化圖

5。3 電纜10m 高度工況下橫樑應力變化

從圖11a 可看出，1。43 s 從10 m 高度下墜電纜與防護網剛接觸時與網連線的橫樑一級前四根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為17。4 MPa。從圖11b 可以看出，1。91s 衝擊力最大時與網連線的橫樑一級前11 根豎杆範圍出現較大應力， 最大應力為153。5 MPa。從圖11c 可以看出，1。94 s 與網連線的橫樑一級前12 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為151 MPa。從圖11d 可以看出，10 m 工況與網連線的橫樑一級1。96 s 時前12 根豎杆範圍出現較大應力，最大應力為145。9 MPa。在整個衝擊過程中橫樑最大應力出現在1。91 s，此時衝擊力最大，最大應力為151。9 MPa，符合強度要求。

圖11 電纜10 m 高度工況橫樑應力變化圖

6 結語

1）根據鐵路跨越安全防護裝備利用LS-DYNA 軟體中的APDL 命令流建立防護網系統的有限元分析模型。

2）根據現場電纜斷裂墜落的具體情況，在模擬過程中選擇了三種電纜高度工況進行衝擊響應分析。

3）對電纜衝擊防護網系統的衝擊過程進行分析，得出電纜與防護網的接觸是從左到右逐漸接觸。由於電纜高度不同，電纜衝擊防護網時與網接觸的長度不同，電纜距離網的高度越高，電纜衝擊防護網時的長度越短。

4）對電纜衝擊防護網過程中的衝擊力進行分析，得出不同高度工況下衝擊力均是先增大後減小的趨勢，最大沖擊力6 m 高度工況＞ 8 m 高度工況＞ 10 m 高度工況。

5）從三種工況橫樑各時刻的應力變化圖分析可知，同一種工況中，由於電纜在空中是L 狀的傾斜曲線，所以在電纜衝擊力作用下首先是網的最左端受到電纜衝擊，對應橫樑左端先出現應力。隨著電纜繼續與防護網接觸，防護網從左至右逐漸受電纜衝擊，對應橫樑的應力範圍從左往右不斷擴大。在衝擊過程中橫樑的最大應力變化也是呈現先增大後減小的趨勢。不同工況下電纜高度不同，電纜下墜後到達防護網時與防護網接觸的長度不同，高度越高，電纜與防護網接觸的長度越短，對橫樑兩邊的影響範圍小，同時橫樑的最大應力也越小。

參考文獻

［1］ 劉成清，何斌，陳池，等。Ansys/LSDYNA 工程結構抗震抗撞擊與抗連續倒塌分析［M］。 北京：中國建築工業出版社，2014。

［2］ 劉成清，陳林雅，陳馳，等。 落石衝擊作用下被動柔性防護網整體結構試驗［J］。 中國地質災害與防治學報，2014（4）：37-44。

［3］ 谷長春，石明全。 基於Ansys/LSDYNA 的高速碰撞過程的數值模擬［ J ］ 。 系統模擬學報，2009，21（15）：4 621-4 624。

［4］ 白金澤。LS-DYNA3D 理論基礎與例項分析［M］。 北京：科學出版社，2005。

［5］ 葉四橋，陳洪凱，唐紅梅。 落石衝擊力計算方法［J］。 中國鐵道科學，2010，31（6）：56-62。