25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析【優(yōu)秀畢業(yè)設計】

《25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析【優(yōu)秀畢業(yè)設計】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析【優(yōu)秀畢業(yè)設計】（86頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 學 生 姓 名 專 業(yè) 班 級

2、 指 導 教 師 完 成 日 期  畢業(yè)設計（論文）前期工作材料 學 生 姓 名： 學號： 教 科 部： 專 業(yè)： 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

3、 導 老 師： 材 料 目 錄 序號 名 稱 數量 備注 1 畢業(yè)設計（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設計（論文）任務書 1 3 畢業(yè)設計（論文）實習調研報告 1 4 畢業(yè)設計（論文）開題報告（含文獻綜述） 1 5 畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯（含原文） 1 6 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 1

4、 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）題目申報表 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 題目類型 題目來源 面向專業(yè) 指導教師 職　稱 學　位 從事專業(yè) 題目簡介： 本課題主要運用ANSYS大型商用有限元軟件，對25米高桿路燈燈桿燈桿結構進行力學分析與有限元計算。分析25米路燈燈桿在自重、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。 審核意見： 審核人簽名： 年 月

5、 日 題目類型－－1、為結合科研；2、為結合生產實際；3、為結合大學生科研訓練計劃；　 4、為結合學科競賽；5、模擬仿真；6、其它 題目來源－－A.指導教師出題 ； B.學生自定、自擬 畢業(yè)設計（論文）任務書 教 科 部： 專 業(yè)： 學生姓名: 學號: 畢業(yè)（論文）題25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析

6、 起 迄 日 期： 設計（論文）地點： 指 導 老 師： 專 業(yè) 負 責 人： 發(fā)任務書日期： 年 月 日 畢業(yè)論

7、文任務書 論文題目 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 年級 專業(yè) 學生姓名 學號 主要內容： 1.能夠熟練運用大型有限元軟件進行數值分析并能夠簡單的改進或優(yōu)化設計； 2.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。 3.在計算的基礎上對燈桿進行改進設計，以降低燈桿的重量與成本，最終確定最為合理的設計方案； 4.查閱文獻15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 5.撰寫開題報告：包括工作任

8、務分析、調研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 主要任務及基本要求（包括指定的參考資料）： 主要任務及基本要求： 1、撰寫開題報告：包括工作任務分析、調研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 2、查閱文獻15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 3、熟練運有限元分析軟件； 4、能夠運用MSC/DYTRAN或ANSYS有限元軟件建立簡單結構的有限元模型，通過計算獲得結構的應力應變場分布規(guī)律； 5、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬字。 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,1

9、995 [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(tǒng)的受力分析與強度效核[M]. 許基朵（成都鐘順科技發(fā)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(qū)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

10、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(fā)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(tǒng)的應用和結構 上海鐵路局勘設所 蔡君偉 發(fā)出任務書日期： 　　　　　　完成期限： 指導教師簽名：　　　　　　　　　

11、　　　　　專業(yè)主任簽名： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日 畢業(yè)設計（論文）實習調研報告 學 生 姓 名： 學號： 專 業(yè)： 指 導 老 師： 參觀實習報告 在大學的學習生活中，實習是不可缺少的一部分。在實習期間可以把在學校學到的專業(yè)知識應用到實際當中。在理論與實踐相結合

12、的時候，能夠更快更好地體會到理論的精髓所在，體會到理論與實踐的區(qū)別。從而鞏固自己所學的知識，增強發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。從而做到理論與實際的融會貫通。生產實習時大學生學習很重要的實踐環(huán)節(jié)。實習是每一個大學畢業(yè)生的必修課，它不僅讓我們學到了很多課堂上根本學不到的知識，還使我們開闊了視野，增長了見識，為我們以后更好把所學的知識運用大實際工作中打下堅實的基礎。通過生產實習使我更深入的接觸專業(yè)知識。 3月28日我們在揚力集團田工以及研究生的帶領下到揚力工廠進行參觀實習。田工為我們做了具體介紹。江蘇揚力集團有限公司是專業(yè)從事鍛壓機械設計、制造的企業(yè),前身為揚州第二鍛壓機床廠，始建于1956

13、年。集團下轄六個生產型企業(yè)，分別為：江蘇揚力集團有限公司（控股母公司）、江蘇富力數控機床有限公司、江蘇國力鍛壓機床有限公司、江蘇揚力堅城鍛壓機床有限公司、江蘇揚力鑄段有限公司、江蘇揚力模具有限公司。集團建立了一個鍛壓機械研究院，下轄四個研究所；并與東南大學共同申報設立了企業(yè)博士后工作站；與揚州大學建立了開發(fā)全伺服機床產品的合作；與中國科學院長春光學精密機械與物理研究院合資建立了激光技術與裝備工程研究中心?！P力集團的企業(yè)精神：團結、敬業(yè)、開拓、進取。揚力產品的市場方針：技術的不斷創(chuàng)新、產品的日臻完美、服務的更加完善、讓用戶滿意的高品質是我們永恒的追求。 田工重點為我們介紹了數控轉塔沖床以及

14、剪板機。其中包括MP7-30,MP10-30,T30,F30以及MS8系列。列舉了幾大產品的具體參數以及工作原理操作方法等，使我們對揚力有了更深入的了解，對揚力的產品也有了進一步的認識。在企業(yè)員工的指導下，我們見習生產流程及技術設計環(huán)節(jié)，鍛煉自己觀察能力及知識運用能力。 　　社會工作能力得到了相應的提高,在實習過程中，我們不僅從企業(yè)職工身上學到了知識和技能，更使我們學會了企業(yè)中科學的管理方式和他們的敬業(yè)精神。感到了生活的充實和學習的快樂，以及獲得知識的滿足。真正的接觸了社會，使我們消除了走向社會的恐懼心里，使我們對未來充滿了信心，以良好的心態(tài)去面對社會。同時，也使我們體驗到了工作的艱辛，了解

15、了當前社會大學生所面臨的嚴峻問題，促使自己努力學習更多的知識，為自己今后的工作奠定良好的基礎 　　本次實習使我第一次親身感受了所學知識與實際的應用，理論與實際的相結合，讓我們大開眼界，也算是對以前所學知識的一個初審吧！這次生產實習對于我們以后學習、找工作也真是受益菲淺。在短短的時間里，讓我們初步讓理性回到感性的重新認識，也讓我們初步的認識了這個社會，對于以后做人所應把握的方向也有所啟發(fā)！ 總之短短的實習，讓我大開眼界，也學會了不少東西，也讓我對自己今后要從事的行業(yè)有所思考。原來的那種心高氣傲沒有了，取而代之的是腳踏實地的努力工作學習的決心和信心。當我擺正自己的心態(tài)，從初涉社會工作的被動狀態(tài)

16、轉變到開始適應社會的主動狀態(tài)，以放松的心情，充沛的精力重新回到緊張的學習工作當中時，我忽然有種這樣的感受：短短的時間，仿佛思想又得到了一次升華，心中又多了一份人生感悟。 這次實習讓我深刻體會到讀書固然是增長知識開闊眼界的途徑，但是多一些實踐，暢徉于實踐當中接觸實際的工作，觸摸一下社會的脈搏，給自己定個位，也是一種絕好的提高自身綜合素質的選擇。 我們的實習雖然結束了，但是，我們的學習卻仍在繼續(xù)！ 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學 生 姓 名： 學 號： 專

17、 業(yè)： 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： 年 月 日 畢業(yè)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 題目類型 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 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

18、果；任務完成的階段、 內容及時間安排；完成畢業(yè)設計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： （1）培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力； （4）培養(yǎng)學生的在設計過程中使用計算機的能力； （5）培養(yǎng)學生的撰寫設計說明書、論文的能力； （6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內 容 畢業(yè)設計開始，查閱中外文資

19、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(yè)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(yè)設計中期檢查，撰寫畢業(yè)設計論文； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設計期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻 綜 述 1、引 言 高桿燈以節(jié)能、維修方便、集中照明等優(yōu)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

20、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(fā)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，

21、激發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)場把多節(jié)圓臺型桿體當場焊接成型,整桿起吊安裝;后者在安裝現(xiàn)場分節(jié)起吊,逐步套接安裝。這僅是表象的區(qū)別。從建筑力學和抗風荷載的本

22、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(xiàn)

23、場焊接的麻煩,但桿體間的多節(jié)套接,增加了桿體的實際長度。 其次,正12棱臺套節(jié)式燈桿各分套節(jié)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(jié)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(jié)桿體在高桿燈安裝過程中,各分節(jié)之間的對口碰焊在抗風荷載中的強度問題。其實,在各分節(jié)對口碰焊處的桿體內,內襯一小段鋼環(huán)(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

24、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(yōu)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(xiàn)代化城鎮(zhèn)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(qū)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(xiàn)燈桿振動過大，長期

25、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(qū)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(huán)形,通過桿根外圍的支撐板與其連接以增加承受強度。環(huán)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(wěn)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(tǒng)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(tǒng)。

26、 （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?？刹捎秒姶砰y掛脫鉤裝置。 優(yōu)化設計 優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)設計方案的技術。所謂最優(yōu)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(yōu)設計方案就是一個最有效率的方案。設計方案

27、的任何方面都是可以優(yōu)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(yōu)化設計。 ANSYS提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數的優(yōu)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(yōu)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(huán)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。這一循環(huán)過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止。在ANSYS的優(yōu)化設計中包括

28、的基本定義有:設計變量、狀態(tài)變量、目標函數、合理和不合理的設計、分析文件、迭代、循環(huán)、設計序列等。 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(tǒng)的受力分析與強度效核[M]. 許基朵（成都鐘順科技發(fā)展有限公司四川成都6100

29、64） [6] 高桿燈總體設計概論[M]. 石聽安 (常為市新北區(qū)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(fā)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

30、省龍口港務管理局仲杰 [14] 高桿照明系統(tǒng)的應用和結構 上海鐵路局勘設所 蔡君偉 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(xiàn)場所在地區(qū)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

31、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(jié)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。 （4）運用 ANSYS10.0，對模型進行相應的設置，包括有限元類型、材料屬性、 網格劃分、位移約束、載荷加載等等。

32、（5）對 ANSYS 里的燈桿模型進行穩(wěn)定性分析，得出變形最大位置及數據。 全部設計過程綜合運用了四年來所學的各種知識機械原理、機械設計、機械制圖、材料力學和理論力學等專業(yè)方面的知識。通過本次設計，不但增強了自己獨立查閱文獻，獨立設計計算，獨立思考等各方面的能力，更重要的，是對四年來大學知識的一個總結，同時，也為自己即將的社會生活打下了一個堅實的基礎。 畢業(yè)設計（論文）中期自查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 學號 專業(yè) 班級 指導教師 職 稱 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 個

33、人精力 實際投入 每天平均工作時　間 迄今缺席天數 出勤率% 指導教師每周指導次數 每周指導時間（小時） 未指導的周次及原因 畢業(yè)設計（論文）工作進度（完成）內容及比重 已完成主要內容（　　　　%） 待完成主要內容（　　　　%） 存在問題及解決方案 指導教師意見：　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　指導教師簽名： 　 　　　　　 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）指導教師審閱意見表 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 學生姓名

34、 專業(yè) 班級 指導教師姓名 職稱 得分 指導教師審閱意見： 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）評閱人意見表 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 學生姓名 專業(yè) 班級 評閱人姓名 職稱 得分 評閱人意見： 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）答辯結果表 設計（論文）題目 25米高桿路燈

35、燈桿的力學計算與有限元分析 學生姓名 專業(yè) 班級 答辯記錄： 答辯小組意見： 得 分 組長簽名 日 期 答辯委員會意見： 指導教師評　　分 評閱人評　分 答辯小組得　　分 結構分 最終成績 主任簽章 日 期 摘 要 隨著社會的發(fā)展與進步，各種大型廣場、車站、公路立交橋、港口以及機場等陸續(xù)建成，這些區(qū)域對大面積照明的需求推動了高桿燈的發(fā)展。而隨著高桿燈越來越廣泛的應用，它的結構強度和成本也逐漸成為了社會關注的焦點。高桿燈的設計制作是多門學科交錯滲透的綜合體,其深刻的機理自有著它的

36、嚴密性和科學性。 本課題主要運用了ANSYS大型商用有限元軟件，對25米高桿路燈燈桿結構在風載、雪載以及自身重力的作用下，進行了有限元分析，得出燈桿各部件的應力與變形的大致分布情況，分析路燈燈桿結構的強度是否符合設計的要求。并且在此基礎上進行改進設計，通過進一步減小桿壁的厚度、調整法蘭孔及螺栓尺寸、減小地基體積等方法成功地降低了高桿燈的重量與成本。 關鍵詞：高桿燈，有限元分析，ANSYS軟件，應力 Abstract With the development and progress of society, many of the l

37、arge square, station, port and airport, highway overpasses are built,these regional demand for large area lighting to promote the development of the high pole lamp.And with the more and more extensive application of the high pole lamp, it’s structural strength and cost has gradually become the focus

38、 of the social concern.The designing of Lamp is a complex of the multi-discipline, its deep mechanism has its own rigor and science. This topic is using ANSYS which is the large commercial finite element software makes the finite element calculation of 25 meters high rod lamp when it under wind lo

39、ad, snow load and its gravity,we get the stress and deformation distribution and analyse the strength of the structure and the stiffness of the street lamp to know whether it accord with the requirements of the design.And on this basis to improve the design,by further reducing the thickness of rod w

40、all, adjust the flange hole and bolt size, reducing the ground volume method successfully reduce the weight and cost high pole lamp. Keywords: High pole lamp，the finite element analysis, ANSYS software, stress 目錄 摘要 Abstract 第一章 緒 論 1 1.1引言 1 1.2高桿路燈的國內外研究狀況 4 1.3 高

41、桿燈桿體強度分析以及變形 6 1.3.1 高桿燈桿體的力學計算 6 1.3.2 高桿燈桿體壁厚沿桿體高度的合理布置 9 1.3.3 桿體選用不同材料對桿體參數確定的影響 10 1.4 高桿燈系統(tǒng)的受力分析和強度校核 10 1.5 本章小結 11 第二章 高桿燈的總體設計 12 2.1 燈桿設計 12 2.2光源及燈具配置 13 2.2.1 光源的選擇 13 2.2.2 燈具的選擇 13 2.3 燈盤及升降機構 14 2.4 基礎設計與修建 16 第三章 25米高桿路燈桿燈有限元分析的建模過程 18 3.1 相關軟件介紹 18 3.1 Solid

42、Works簡介 18 3.2 25米高桿燈的主要內容和參數 25 3.3 ansys軟件簡介 27 3.4 軟件模型處理過程 27 3.5 25米高桿燈的有限元模型 28 3.6 解決的問題 28 第四章 25米高桿路燈燈桿的有限元分析和優(yōu)化設計 30 4.1 單一載荷下的有限元分析 30 4.1.1 風載 30 4.1.2 雪載 33 4.2 多重載荷下的有限元分析和優(yōu)化設計 36 4.2.1 有限元分析 36 4.2.2 結論分析 40 4.2.3 結構優(yōu)化 41 4.2.4 優(yōu)化建議 45 結 論 46 參考文獻 47

43、致 謝 48 英文文獻 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 第一章 緒 論 1.1引言 近年來,伴隨著國內照明技術的不斷提高和引進國外的先進照明裝置,高桿燈照明越來越受到人們的歡迎和廣泛重視。如1996年9月完工的滬寧高速公路,就采用了英國的CU公司的照明技術;比如1997年7月完工的南京祿口國際機場專用高速公路也采用了英國的科藝公司的照明技術。國內外的高桿照明技術正在向實用化、功能化的方向發(fā)展。燈桿由圓柱等徑向多邊形的錐體發(fā)展，燈盤結構由裝飾型向框架功能型發(fā)展，升降機構由單筒向多筒發(fā)展，光源由400W鈉燈向1

44、000W鈉燈發(fā)展,電器控制由人工的向時控及光控等自動控制方向發(fā)展。除此之外,燈桿表面的防腐處理工藝、掛鉤結構、電器控制等很多方面也向高技術方向發(fā)展。再比如高桿燈的桿體也正由等徑柱體加芯接式向多面錐體分段套接式方向發(fā)展，桿材也由過去的A3中碳鋼向Q235A低碳鋼方向發(fā)展。高桿燈表面防腐工藝呢，也由過去的熱噴鋁工藝向內外熱浸鋅工藝方向發(fā)展,這就是是高桿照明技術的一大進步。燈桿的焊接容積深度要大于0.8,否則會危及使用安全。焊接的工藝適宜采用自動氬氣保護電弧焊或者自動埋弧焊焊接工藝。燈桿的臂厚應該根據使用環(huán)境條件和自身的結構強度要求取定,臂厚太厚了不經濟、浪費材料,若太薄了又不能滿足強度和安全要求,

45、同時還要考慮到安裝、運輸過程中的變形問題。對于國內鋼材特點,30m以下的高桿燈桿體宜卷壓折彎成12邊形以下,因為不這樣燈桿外形將失去外形輪廓美感。燈桿的內外適宜采用熱浸鋅工藝處理,鍍鋅層厚度要求大于86Lm、610g/m2。上面述說的燈桿結構和防腐工藝克服了傳統(tǒng)等徑柱體加芯焊接結構的許多缺陷。比如:接口處易生銹掛鐵銹斑跡，易生銹層層剝離,內臂防腐性能差等等。新型結構防腐效果比較好,安裝也相對方便簡單。 高桿燈一般是指25米以上的大功率組合式燈架和鋼制柱型燈桿構成的新型的照明裝置。它是由桿體、升降機構燈座、內部燈具電氣、及基礎部分組成的[1]。因為高桿燈具有挺拔且高聳的外形和十分出色的照明效果

46、，所以被越來越廣泛地用于城市碼頭、公路、車站、體育場、立交橋等很多戶外大面積的照明場所。與普通路燈比較，它具有照明燈具功率大、燈具數量多、燈桿高度高、照射范圍大的特點。在這些公共地方使用大型的燈具，安全性是很重要的。尤其是在一些惡劣的天氣中，有時可能會發(fā)生高桿燈的倒塌事故，倒塌的原因大部分是高桿燈燈桿的強度不夠，很多廠家在進行高桿燈的設計時，并沒有進行強度校核或者以低于10級大臺風的要求進行校核。有關高桿燈燈桿結構強度的驗算，我國目前還沒有具體的詳細規(guī)范。 目前,在國內安裝使用的高桿燈桿體,常見的有正12棱臺型套接式和圓臺型焊接式兩種。前者是在安裝的現(xiàn)場分節(jié)起吊,逐步套接安裝;后者呢是在安裝

47、現(xiàn)場把多節(jié)圓臺型的桿體當場焊接成型,然后整桿起吊安裝。這僅僅是表面上的區(qū)別。從抗風荷載的本質特性和建筑力學來分析,兩者抗風荷載的情況和靜力學特征有著明顯的差異。正12棱臺燈桿體形風壓系數是1.1464，而圓臺型燈桿體形風壓系數才0.8；換句話說,同一高度橫截積相等的兩種樣式的高桿燈,它們在同樣的風速作用下,正12棱臺燈桿受到的風荷載作用力是圓臺型燈桿的1.433倍。在這情況下,為了讓這兩種造型的燈桿有相同的抗風荷載能力和一樣的安全系數,那么正12棱臺型燈桿桿體的鋼板壁厚、相同高度處的截面積、還有地腳緊固螺栓的直徑等必須比圓臺型桿體來得大,所以高桿燈整體耗材也大。正12棱臺型燈桿雖然省去了安裝現(xiàn)

48、場焊接的麻煩,但是桿體間的多節(jié)套接,同時也增加了桿體的實際長度。就比如30m的高桿燈,做成三節(jié)套節(jié)式桿體,實際增加的桿體長度為1.8-2.0m。增加了成本的同時又增加了自重和桿根處的負載。再者,正12棱臺套節(jié)式的燈桿各分套節(jié)成型,是預先裁切的鋼板料在大功率的折彎機上彎折出12條棱線后,再由自動焊接機焊接為正12棱臺型分節(jié)鋼筒。鋼板在形變時,剛度必受受損。圓臺型燈桿的桿體橫截面是一個圓,圓的剛度比正12邊形大很多,所以同樣截面積的圓臺型燈桿會比起正12棱臺型燈桿的抗風荷載能力大。但也有人曾懷疑圓臺型的分節(jié)桿體在高桿燈安裝的過程中,各個分節(jié)之間的對接碰焊在抗風荷載中的強度有問題。實際上,在各分節(jié)對

49、接碰焊處的桿體內,內襯小段鋼環(huán),使它同時焊連在碰焊縫內側的桿體上,然后再加上電焊燒結的理化特點,碰焊縫處的剛度和強度會大大增強[2]。 高桿燈的外形形態(tài)各異，它們的共同之處是燈盤碩大、燈桿細長。作用于桿體上的力有：冰雪載荷、風載荷、桿體自重、燈盤重量。其中，風載荷對桿體的撓度值和應力所起的作用最大。風載荷是動力載荷，有不穩(wěn)定的、穩(wěn)定的兩種。穩(wěn)定的風可以視為靜力作用，而不穩(wěn)定的風除產生靜力作用外，還會產生動力作用。相對于剛度大的結構，其實風的動力影響很小，只考慮風壓靜力作用即可，但對于高的燈桿結構，由于其剛度小，自振頻率低，結構容易在突發(fā)的陣風作用下產生彈性振動。對于高桿燈桿體來說，除了計算風

50、的靜力作用之外，還需計算風振。燈盤的樣式對桿體的撓度、強度起著決定性的作用。高桿燈在風速很大的地區(qū)安裝時，應盡量采用迎風面積小點的功能型燈盤，節(jié)省桿體的截面，從而減少桿體材料的用量，降低高桿燈生產成本。高桿燈的桿體比較常見的有三種主要型式：三角柱桿、梢桿、直桿。和三角柱桿相比較，三角柱桿的自重和剛度較大。梢桿和直桿的力學特性有所不同，對于具有相同桿體壁厚和相同的底部直徑的梢桿和直桿，當它們處于各種風速下，在桿體中產生的桿體的最大撓度值和最大應力不同。在它們的桿體中，為了減輕桿體的重量，一般是將桿體壁厚由根部到頂部逐步減小。因為桿體過長，在實際制造中，宜將桿體分成三段或四段來制造，現(xiàn)場安裝的時候

51、再連接在一起。各段桿體壁厚不同，其分布按桿體的分段自然形成。在桿體的設計過程中，其強度不能滿足要求時，一般采用增加桿體壁厚或增大桿體根部直徑這兩種方法[3]。 一般來說,在港口、高速公路的露天站口、在海島等氣候條件比較差以及自然地理環(huán)境復雜的地域,適合選用圓臺形型焊接燈桿。在市內廣場、大院之內的高桿燈,由于場地風速較小,場地的四周建筑不方便整根燈桿同時起吊安裝,就可以采用正12棱臺型套節(jié)燈桿。綜合高桿燈設計制作個例和高層建筑(30米以上的高桿燈視為高層建筑處理)的有關文獻資料,燈桿的造型以圓臺形為佳,也可以做成正十二棱臺形。正十二棱臺形的風阻系數為0.96,圓臺形的桿體風阻系數為0.8,且桿

52、體截面積一樣的正多邊棱臺形和圓臺形桿體相比,風阻系數大。但正十二棱臺形桿體適宜做成套接式,從而省去了各節(jié)燈桿之間的焊接[4]。 總的來說，國內高桿照明技術漸漸走向成熟,由于目前國家并沒有頒布規(guī)范的高桿照明技術相關細節(jié),很多城市的高桿燈存在問題，比如燈盤的外觀與周圍環(huán)境極不相稱、不能滿足高桿照明的功能性和裝飾需求、光源燈具的配置不合理、燈桿內外表面防腐處理工藝差、運行存在安全和質量隱患,事故頻發(fā)等等。 基于這種情況，本課題以ANSYS軟件為主要工具，對25米的高桿路燈燈桿在風載、雪載和自身重力作用下進行有限元分析，并進行優(yōu)化設計。 1.2高桿路燈的國內外研究狀況 高桿照明是指照明

53、的裝置安裝高度大于20米的桿狀照明設備,近年來，由于它采用了新光源,以及在結構上的改進,在國外應用正逐漸擴大,目前除了常用汽車停車場、廣場、公路交叉區(qū)作大面積照明外,也漸漸用于商業(yè)區(qū)街道、自來水廠、鐵路編組場等處。在國內,高桿照明雖然近年來、有采用,但例子少,偶而用作汽車停車場或者廣場體育場照明。 國外運用概況： 汽車停車場照明：邁阿密國際機場1978年客運量超過160。萬人次，其汽車停車場可容納47000輛汽車。該機場原設有398根普通高度的照明桿，每桿裝有2只40。瓦水銀燈，其中停車場占250根，這為數可觀的電桿不僅縮小停車場面積，影響美觀，而且照明質量差，有陰影和暗區(qū)，維修困難，費用

54、亦大。1976年后機場決定采用高桿照明(圖1-1)，桿高30.5米(100英尺)，間距30.5米，每桿頂部安裝一組包括6只1000瓦金屬鹵化物燈的照明裝置，成功地對155500米：(2000000英尺2)的區(qū)域實現(xiàn)了均勻照明，測得的最小地面照度達53.8勒(lx)，這樣，機場及停車場的面貌煥然一新，行車也增加了安全性。 圖1-1 邁阿密國際機場停車場的高桿照明系統(tǒng)的結構示意 公路交叉區(qū)照明：高桿照明有照明面積大、炫光低、照度均勻等優(yōu)點，在美國用作公路交叉區(qū)照明。俄亥俄州阿克郎商業(yè)區(qū)的公路交叉區(qū)，采用了每桿帶有4個1000瓦金屬鹵化物燈并且設有升降裝置的高桿照明，設計采用了對稱、

55、不對稱的桿射器。 鐵路編組場照明：美國路易斯維爾樞紐站新建的自動化調車場采用了36根高桿照明,桿高15.3、30.5米,桿距252.4-182.9米,每桿裝有12只1000瓦的金屬鹵化物燈,調車場長6.436公里,最寬處約305米,高桿照明使緩行器區(qū)和調車場分別達到54勒.21勒的總照度水平。借助高桿內的提升纜索及其上的燈盤可降至地面進行清理和更換燈泡。美國南方鐵路系統(tǒng)斯彭塞編組場占地1.52平方公里,采用了高桿照明與普通高度相結合的照明方式,全部采用高壓鈉燈。設計中包括18座高度為30.5、36.6米的高桿照明,其上采用1000瓦照明裝置,此外再以編組場周圍電桿上的250瓦路燈照明作為補充

56、,獲得的全場平均水平照度為11勒,平均照度與最小照度之比4:l,炫光很低,電能相當節(jié)約,照明消耗功率低于0.22瓦每平方米。該設計曾獲美國1980年地區(qū)性照明設計獎和Edwin.F.Gut五功績紀念獎。 日本京王線路線的調布車站南口廣場上，出現(xiàn)了一盞使用太陽能的路燈。這盞路燈是京都的一家專門廠商研制的。它的結構是：在高驪的燈桿頂上裝兩塊聚熱板(57cm80cm)，它們白天吸收太陽能，為太陽電池充電。天暗下來后，開始自動通電，點亮20瓦的熒光燈。電池的能力是，暗天時，每天可儲蓄供24小時用的電能。這盞路燈的壽命長，可以使用10年以上，不需調換。它的另一個優(yōu)點是，在發(fā)生災害而停電時，也能使用。

57、 國內運用概況： 廣場照明：1975年建成的上海體育館，其正門入口處廣場采用了2座高桿照明，桿高30米，桿距100米，其外形如圖1-2。桿上套有可動式燈盤，上設18只100。瓦鈉蛇錮燈，燈桿下部為地下機房，藉機房內的卷揚電動機通過桿內鋼索控制燈盤升降，照明電源由地下機房通過桿內送至桿頂再借助軟電纜送至燈盤，軟電纜可隨盤升降，當上升至頂盤時，電纜圍盤在燈盤上，當需要更換燈泡或維修線路時，軟電纜及燈盤可下降至離地l米左右，以便在地面維修。 停車場照明：上海公交汽車六場的停車場占地2萬平方米，采用了l座高桿照明就獲得了所需照度。桿高28米上設LD一400日光色摘燈20只，桿下的地下機房內

58、有4千瓦電動機一臺，以控制燈盤升降。它與上海體育館的一個不同之處，為電源不以軟電纜引至燈盤，而是通過燈桿內壁的固定配線將機房內的電源引至頂蓋上的靜觸頭，當燈盤上升至桿頂，燈盤上的動觸頭與頂蓋上的靜觸頭接觸時，接通電源.據估計，如用普通路燈代替則需32根電桿，桿上裝設1000瓦高壓水銀燈或設40。瓦日光色摘燈，用電量為12.8、32千瓦，而高桿照明僅為8千瓦。 我國北京華基電腦公司研制出一太陽能為能源的系列路燈。太陽能路燈是由光電板、儲能電池、燈具、控制系統(tǒng)和安裝桿等五部分組成，白天用太陽能板吸收光能，給蓄電池充電，晚上則自動使等發(fā)光。 圖1-2 上海體育館入口處廣場的高桿照明

59、1.3 高桿燈桿體強度與撓度分析以及變形 1.3.1 高桿燈桿體的力學計算 1、計算內容 1）桿體強度：桿體的最大應力及其所處的位置。 2）桿體撓度：桿體的最大撓度。當在高桿燈上安裝攝像頭時，還需計算攝像頭安裝處的撓度。 3）桿體根部受力：桿體根部的垂直力、水平力、彎矩。 4）桿體的自振周期 2、風速的選取 高桿燈一旦在現(xiàn)場安裝完畢，就常年處于工作狀態(tài)。在進行桿體的力學計算時，風速應選取高桿燈安裝所在地區(qū)的最大風速。當高桿燈上安裝有攝像頭時，還需計算攝像頭工作時的最大風速情況下桿體在攝像頭安裝處的撓度。 3、高桿燈桿體的受力 作用于桿體上的力有：桿體自重、燈盤重量、冰雪載

60、荷、風載荷。這其中，風載荷對桿體的應力與撓度值所起的作用最大[8]。 風載荷是一種動力載荷，有穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種。穩(wěn)定的風可視為靜力作用，不穩(wěn)定的風除產生靜力作用外，還產生動力作用。對于剛度大的結構，風的動力影響很小，可只考慮風壓靜力作用，但對于高聳的燈桿結構，由于剛度小，自振頻率低，在突發(fā)的陣風脈動作用下，易使結構產生彈性振動。因此，對于高桿燈桿體來說，除計算風的靜力作用外，還需計算風振[9]。 高聳結構在風振時的風載荷計算公式如下： (N) 其中： —與結構型式和自振周期有關的風振系數； —風載體型系數； —風壓高度變化系數；

61、 —標準風壓 （）； —結構垂直于風向的迎風面積（）； （注：風壓q與風速的關系式為： （），風速的單位m/s）。 4、高桿燈燈盤型式對桿體強度、撓度的影響 由于造型和照明功能上的不同要求，高桿燈的燈盤具有很多型式。常見的 形式有：功能型、單面照型、框架型、牽?；ㄐ?。由圖3可看出，各種型式燈盤的迎風面積是不同的。雖然燈盤的迎風面積與燈具的個數、每個燈具的迎風面積、燈具支撐結構架的迎風面積有關，但從總體上來說，功能型燈盤的迎風面積最小，單面照型燈盤的迎風面積最大，框架型和牽?；ㄐ蜔舯P的迎風面積相近，均僅次于單面照型燈盤。燈盤上的風載荷位于桿體的頂端

62、，因此其風載高度系數大、相對桿體根部的力臂大，對桿體的應力、撓度的影響也很大。為了比較不同型式的燈盤對桿體強度與撓度的影響程度，分別對安裝有功能型燈盤和單面照型燈盤的燈桿進行了計算。計算結果表明：當單面照型燈盤的迎風面積為功能型燈盤的迎風面積的4倍時，前者燈桿中的最大應力約為后者的1.75倍，最大撓度約為后者的1.82倍[10]。 由上可知，燈盤的型式對桿體強度和撓度起著決定性的因素。當高桿燈安裝在風速很大的地區(qū)時，應盡量采用迎風面積小的功能型燈盤，以節(jié)省桿體的截面，進而減少桿體鋼材的用量，降低高桿燈的生產成本[6]。 5、高桿燈桿體型式對桿體強度、撓度的影響 高桿燈桿體常見的主要型式有

63、三種：梢桿、直桿、三角柱桿。梢桿的根部直徑大于頂部直徑；直桿的根部與頂部直徑相同；三角柱桿為空間桁架結構，主肢為三根布置在三角型截面上的直桿，中間用橫桿連綴。上述三種型式的桿體由于自身的特點，它們的迎風面積、風載荷、剛度、自重均不相同，如表1-1所示。其中三角柱桿的剛度在三種型式的桿體中最大，因此它適用于風速大的地區(qū)，或者適用于對高桿燈撓度要求高的場合。與三角柱桿相比較，梢桿和直桿的自重和剛度均較小。但梢桿和直桿的力學特性又有所不同。對于具有相同底部直徑、相同桿體壁厚的梢桿和直桿，當處于各種風速時，在桿體中產生的最大應力及桿體的最大撓度值不同。以35米牽?；ㄐ蜕凳礁邨U燈為例，梢桿和直桿的基本

64、參數如下： 梢桿：燈桿下口徑為700mm，上口徑為420mm，壁厚從燈桿底部至頂部依次為 12mm、10mm、8mm、6mm。燈盤與燈具的迎風面積為3.5，燈桿迎風面積為19.6，燈盤加燈具的重量約為7000N，燈桿的重量為5000N，燈盤直徑為4500mm，燈盤高度為1500mm。 直桿：燈桿下口徑為700mm，上口徑為700mm，壁厚從燈桿底部至頂部依次為12mm、10mm、8mm、6mm。燈盤與燈具的迎風面積為3.5，燈桿迎風面積為24.8，燈盤加燈具的重量約為7000N，燈桿的重量為60000N，燈盤直徑為4500mm，燈盤高度為1500mm。 表1-1 梢桿、直桿、三

65、角柱桿各項性能指標等級對比表 桿體形式 迎風面積 風載荷 剛度 自重 梢桿 最小 最小 最小 最小 直桿 中等 中等 中等 中等 三角柱桿 最大 最大 最大 最大 梢桿和直桿的最大應力和最大撓度對比值參見表1-2。 由于直桿的桿體迎風面積與自重均較梢桿大，因此其最大應力比梢桿的最大應力大，

66、但其剛度也比梢桿大。直桿可用于對剛度要求較高的場合，如安裝有攝像頭的燈桿。 表1-2 梢桿、直桿最大應力和最大撓度對比表 風速 風力等級 梢桿最大應力 直桿最大應力 梢桿對大撓度 直桿最大撓度 （m/s） （Kg/cm2） （Kg/cm2） （cm） （cm） 7.9 四級風 -105 -124 6.3 4.9 13.8 六級風 -293 -346 20.0 15.7 16.0 七級風 -385 -454 26.7 20.9 20.7 八級風 -632 -745 44.6 35.1 33.0 十二級風 -1574 -1858 113.2 89.