扬州大学广陵学院本科生毕业论文 毕业论文题目 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6月 4 日 摘 要随着社会的发展与进步，各种大型广场、车站、公路立交桥、港口以及机场等陆续建成，这些区域对大面积照明的需求推动了高杆灯的发展。而随着高杆灯越来越广泛的应用，它的结构强度和成本也逐渐成为了社会关注的焦点。高杆灯的设计制作是多门学科交错渗透的综合体,其深刻的机理自有着它的严密性和科学性。本课题主要运用了ANSYS大型商用有限元软件，对25米高杆路灯灯杆结构在风载、雪载以及自身重力的作用下，进行了有限元分析，得出灯杆各部件的应力与变形的大致分布情况，分析路灯灯杆结构的强度是否符合设计的要求。并且在此基础上进行改进设计，通过进一步减小杆壁的厚度、调整法兰孔及螺栓尺寸、减小地基体积等方法成功地降低了高杆灯的重量与成本。关键词：高杆灯，有限元分析，ANSYS软件，应力 AbstractWith the development and progress of society, many of the large 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, its structural strength and cost has gradually become the focus 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 load, 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 wall, 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目录摘要Abstract第一章 绪 论51.1引言11.2高杆路灯的国内外研究状况41.3 高杆灯杆体强度分析以及变形61.3.1 高杆灯杆体的力学计算61.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置91.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响101.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核101.5 本章小结11第二章 高杆灯的总体设计122.1 灯杆设计122.2光源及灯具配置132.2.1 光源的选择132.2.2 灯具的选择132.3 灯盘及升降机构142.4 基础设计与修建16第三章 25米高杆路灯杆灯有限元分析的建模过程183.1 相关软件介绍183.1 Solid Works简介183.2 25米高杆灯的主要内容和参数253.3 ansys软件简介273.4 软件模型处理过程273.5 25米高杆灯的有限元模型283.6 解决的问题28第四章 25米高杆路灯灯杆的有限元分析和优化设计304.1 单一载荷下的有限元分析304.1.1 风载304.1.2 雪载334.2 多重载荷下的有限元分析和优化设计364.2.1 有限元分析364.2.2 结论分析404.2.3 结构优化414.2.4 优化建议45结 论46参考文献47致 谢46陈阳 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析第一章 绪 论 1.1引言 近年来,伴随着国内照明技术的不断提高和引进国外的先进照明装置,高杆灯照明越来越受到人们的欢迎和广泛重视。如1996年9月完工的沪宁高速公路,就采用了英国的CU公司的照明技术;比如1997年7月完工的南京禄口国际机场专用高速公路也采用了英国的科艺公司的照明技术。国内外的高杆照明技术正在向实用化、功能化的方向发展。灯杆由圆柱等径向多边形的锥体发展，灯盘结构由装饰型向框架功能型发展，升降机构由单筒向多筒发展，光源由400W钠灯向1000W钠灯发展,电器控制由人工的向时控及光控等自动控制方向发展。除此之外,灯杆表面的防腐处理工艺、挂钩结构、电器控制等很多方面也向高技术方向发展。再比如高杆灯的杆体也正由等径柱体加芯接式向多面锥体分段套接式方向发展，杆材也由过去的A3中碳钢向Q235A低碳钢方向发展。高杆灯表面防腐工艺呢，也由过去的热喷铝工艺向内外热浸锌工艺方向发展,这就是是高杆照明技术的一大进步。灯杆的焊接容积深度要大于0.8,否则会危及使用安全。焊接的工艺适宜采用自动氩气保护电弧焊或者自动埋弧焊焊接工艺。灯杆的臂厚应该根据使用环境条件和自身的结构强度要求取定,臂厚太厚了不经济、浪费材料,若太薄了又不能满足强度和安全要求,同时还要考虑到安装、运输过程中的变形问题。对于国内钢材特点,30m以下的高杆灯杆体宜卷压折弯成12边形以下,因为不这样灯杆外形将失去外形轮廓美感。灯杆的内外适宜采用热浸锌工艺处理,镀锌层厚度要求大于86Lm、610g/m2。上面述说的灯杆结构和防腐工艺克服了传统等径柱体加芯焊接结构的许多缺陷。比如:接口处易生锈挂铁锈斑迹，易生锈层层剥离,内臂防腐性能差等等。新型结构防腐效果比较好,安装也相对方便简单。高杆灯一般是指25米以上的大功率组合式灯架和钢制柱型灯杆构成的新型的照明装置。它是由杆体、升降机构灯座、内部灯具电气、及基础部分组成的1。因为高杆灯具有挺拔且高耸的外形和十分出色的照明效果，所以被越来越广泛地用于城市码头、公路、车站、体育场、立交桥等很多户外大面积的照明场所。与普通路灯比较，它具有照明灯具功率大、灯具数量多、灯杆高度高、照射范围大的特点。在这些公共地方使用大型的灯具，安全性是很重要的。尤其是在一些恶劣的天气中，有时可能会发生高杆灯的倒塌事故，倒塌的原因大部分是高杆灯灯杆的强度不够，很多厂家在进行高杆灯的设计时，并没有进行强度校核或者以低于10级大台风的要求进行校核。有关高杆灯灯杆结构强度的验算，我国目前还没有具体的详细规范。目前,在国内安装使用的高杆灯杆体,常见的有正12棱台型套接式和圆台型焊接式两种。前者是在安装的现场分节起吊,逐步套接安装;后者呢是在安装现场把多节圆台型的杆体当场焊接成型,然后整杆起吊安装。这仅仅是表面上的区别。从抗风荷载的本质特性和建筑力学来分析,两者抗风荷载的情况和静力学特征有着明显的差异。正12棱台灯杆体形风压系数是1.1464，而圆台型灯杆体形风压系数才0.8；换句话说,同一高度横截积相等的两种样式的高杆灯,它们在同样的风速作用下,正12棱台灯杆受到的风荷载作用力是圆台型灯杆的1.433倍。在这情况下,为了让这两种造型的灯杆有相同的抗风荷载能力和一样的安全系数,那么正12棱台型灯杆杆体的钢板壁厚、相同高度处的截面积、还有地脚紧固螺栓的直径等必须比圆台型杆体来得大,所以高杆灯整体耗材也大。正12棱台型灯杆虽然省去了安装现场焊接的麻烦,但是杆体间的多节套接,同时也增加了杆体的实际长度。就比如30m的高杆灯,做成三节套节式杆体,实际增加的杆体长度为1.8-2.0m。增加了成本的同时又增加了自重和杆根处的负载。再者,正12棱台套节式的灯杆各分套节成型,是预先裁切的钢板料在大功率的折弯机上弯折出12条棱线后,再由自动焊接机焊接为正12棱台型分节钢筒。钢板在形变时,刚度必受受损。圆台型灯杆的杆体横截面是一个圆,圆的刚度比正12边形大很多,所以同样截面积的圆台型灯杆会比起正12棱台型灯杆的抗风荷载能力大。但也有人曾怀疑圆台型的分节杆体在高杆灯安装的过程中,各个分节之间的对接碰焊在抗风荷载中的强度有问题。实际上,在各分节对接碰焊处的杆体内,内衬小段钢环,使它同时焊连在碰焊缝内侧的杆体上,然后再加上电焊烧结的理化特点,碰焊缝处的刚度和强度会大大增强2。高杆灯的外形形态各异，它们的共同之处是灯盘硕大、灯杆细长。作用于杆体上的力有：冰雪载荷、风载荷、杆体自重、灯盘重量。其中，风载荷对杆体的挠度值和应力所起的作用最大。风载荷是动力载荷，有不稳定的、稳定的两种。稳定的风可以视为静力作用，而不稳定的风除产生静力作用外，还会产生动力作用。相对于刚度大的结构，其实风的动力影响很小，只考虑风压静力作用即可，但对于高的灯杆结构，由于其刚度小，自振频率低，结构容易在突发的阵风作用下产生弹性振动。对于高杆灯杆体来说，除了计算风的静力作用之外，还需计算风振。灯盘的样式对杆体的挠度、强度起着决定性的作用。高杆灯在风速很大的地区安装时，应尽量采用迎风面积小点的功能型灯盘，节省杆体的截面，从而减少杆体材料的用量，降低高杆灯生产成本。高杆灯的杆体比较常见的有三种主要型式：三角柱杆、梢杆、直杆。和三角柱杆相比较，三角柱杆的自重和刚度较大。梢杆和直杆的力学特性有所不同，对于具有相同杆体壁厚和相同的底部直径的梢杆和直杆，当它们处于各种风速下，在杆体中产生的杆体的最大挠度值和最大应力不同。在它们的杆体中，为