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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。而欧盟已经强制要々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ζ 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Ψ 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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