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8 m铝合金路灯灯杆的有限元分析与改进设计

文章来源:路灯灯杆 作者: 发布时间: 2018-11-20 11:43:15 浏览次数:0

  铝合金灯杆相对普通铁质灯杆的强度和刚度较低,容易发生灯杆结构的破坏。运用ANSYS有限元软件,对8 m铝合金路灯灯杆结构进行有限元计算,分析8 m路灯灯杆在风载和自重作用下的应力和变形情况。在模拟风载情况下,对灯杆结构进行应力与变形测试,分析路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求,并在此基础上通过调整壁厚、下部外径的方式对其进行优化设计,以降低灯杆的重量与成本。

  目前国内户外照明市场中铁质灯杆占大多数,只有少数发达城市少量使用铝合金灯杆,安装铝合金灯杆也只是用于观赏,市场对于铝合金灯杆的认知程度也有所局限。而欧盟已经强制要求道路灯杆采用铝合金灯杆,主要是出于安全、环保等方面的考虑。

  铝合金灯杆具备很多普通灯杆不具备的优势,主要是灯杆质量轻、防腐性能好、安装维护方便、可以100%回收,符合绿色城市的主旨[1-2],但是其相对普通铁质材料的强度较低,相同载荷下铝合金灯杆更容易变形。本文利用有限元法对整个铝合金灯杆结构构件进行受力分析和校核,在此基础上,再对灯杆进行合理的改进设计,以达到提高灯杆的安全性能及节省材料的目的[3-6]。

  1 灯杆的有限元分析

  1.1 有限元模型的建立

  通过SolidWorks建立路灯灯杆的三维模型,导入Workbench有限元软件进行分析,路灯灯杆的的几何模型如图1所示。

  在有限元模型建立时,对灯杆地面法兰进行固定约束。灯杆整体采用T6处理的铝合金材料,其材料性能参数如表1所示。

  1.2 风载作用下路灯灯杆的有限元分析

  根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》,按照50年一遇的平原地区8 m高度风压的设计要求来确定施加于灯杆的风载大小,并将上述风载施加在灯杆对应的位置。考虑到灯杆各部分重力的影响,设置所有材料的重力加速度为9.8 m/s2,通过有限元计算,得到灯杆在风载及自重载荷下的应力和位移云图,分别如图2和图3所示。

  


  图1 灯杆的几何模型

  表1 路灯灯杆材料的性能参数

  


  


  图2 灯杆整体应力云图

  由有限元计算结果得到,灯杆大应力为211.85 MPa,发生在灯杆底部角筋与杆身的尖点接触处,此处存在应力集中,分析时可不予考虑;在忽略应力集中的情况下,路灯的大应力为93.6 MPa,发生在灯杆根部,铝合金灯杆的材料为6063 T6,而在实际工业生产中使用的铝合金材料其许用应力在85 MPa左右,所以灯杆应力不符合强度要求。灯杆大位移在灯杆的顶端,大小为431.41 mm,路灯的许用挠度是总长度的5%,也就是400 mm,因而有限元计算的挠度结果也不满足设计要求。

  


  图3 灯杆整体位移云图

  2 灯杆的实验测试

  为验证有限元模型的正确性,在灯杆底部和挑臂根部共布置了A、B、C 3个测点,分别贴上电阻应变片,将灯杆横放呈悬臂式,通过在灯杆表面施加与实际风载下相同的力,通过静态应变仪测量各点的应变并测得其顶端位移。在消除灯杆横放后自身重力的影响后,得出各测点的应力及位移测试结果,有限元计算结果与测试结果对比如表2所示。

  表2 有限元计算结果与测试结果对比

  


  由表2得出,应力对比两者误差在5%之内,而灯杆在测试时已发生明显的塑形变形,且测试得到的位移结果偏大。故有限元计算结果是基本正确的,可以用此模型进行改进设计。

  3 改进设计

  结合有限元分析与实验测试结果,提出如下优化方案:

  方案一:将灯杆的壁厚从3 mm优化到3.5 mm。

  方案二:将灯杆的下部外径从180 mm优化到200 mm;角筋的尺寸从60 mm×90 mm×4 mm优化到60 mm×90 mm×5 mm;法兰盘尺寸从320 mm×320 mm×16 mm优化到340 mm×340 mm×16 mm。

  将修改过的模型重新利用有限元软件计算,各方案计算结果如表3所示。

  表3 各方案有限元计算结果

  


  由表3可知,方案一和方案二均满足设计需要。其中方案二应力和位移减少相对较多,且使用材料较少,故方案二改进效果明显。

  4 结论

  通过对8 m铝合金灯杆在风载以及自身重力作用下的有限元分析,得出灯杆的应力与位移情况并且通过实验测试验证了有限元模型的正确性。在此基础上对路灯灯杆进行优化设计,提出了两个优化方案,均有较好的效果,再考虑材料使用经济性的情况,优先选择增大灯杆下部外径的方案。

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