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隨著鐵路高速化進(jìn)程的推進(jìn)，受電弓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)越來越明顯，僅考慮弓網(wǎng)接觸壓力的受電弓靜強(qiáng)度有限元分析結(jié)果已不足以作為受電弓靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿足要求的判據(jù)，因此有必要開展考慮氣動(dòng)載荷的受電弓靜強(qiáng)度分析。
目前，在空氣動(dòng)力學(xué)方面，BoccioloneMet討論了列車高速運(yùn)行引起的縱向氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響，指出氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力的均值和方差均有較大影響，同時(shí)該文獻(xiàn)對(duì)受電弓弓頭進(jìn)行了優(yōu)化，以減小空氣阻力；PomboJet建立了受電弓多剛體模型和接觸網(wǎng)有限元模型以討論氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響，并得出結(jié)論，在氣動(dòng)載荷作用下弓頭呈抬升趨勢(shì)，增大弓網(wǎng)接觸壓力，同時(shí)考慮風(fēng)載荷時(shí)接觸壓力的波動(dòng)幅值將增大；李瑞平等川采用有限體積法實(shí)現(xiàn)了高速受電弓氣動(dòng)力的數(shù)值模擬，并推導(dǎo)受電弓氣動(dòng)抬升力的計(jì)算方法。
在受電弓靜強(qiáng)度分析領(lǐng)域，馬果壘等首次實(shí)現(xiàn)了受電弓整體結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)仿真，完成了受電弓的強(qiáng)度、剛度校核及動(dòng)力特性(模態(tài))分析；宋冬利等基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型實(shí)現(xiàn)了V500受電弓的靜強(qiáng)度可靠性分析，該文獻(xiàn)將氣動(dòng)阻力以集中力的形式加載弓頭表面。利用ANSYS Workbench建立了V500高速受電弓的有限元模型，為使有限元模型能反應(yīng)真實(shí)情況，設(shè)置邊界條件時(shí)，在受電弓弓頭頂部設(shè)置了彈性約束以模擬接觸網(wǎng)對(duì)受電弓的作用，并將氣動(dòng)載荷依次施加到各部件的外表面模擬實(shí)際氣流的作用效果。通過有限元靜態(tài)分析，對(duì)比了V500高速受電弓開、閉口工況的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)載荷作用下受電弓靜強(qiáng)度校核。同時(shí)，為了說明氣動(dòng)載荷的影響效果，還對(duì)比了只考慮弓網(wǎng)接觸壓力和重力工況及考慮氣動(dòng)載荷工況的靜強(qiáng)度分析結(jié)果。
運(yùn)行過程中，受電弓的狀態(tài)如圖所示：通過絕緣子固定于列車頂部，弓頭與接觸網(wǎng)接觸獲取電能，在縱向上受到氣流的擾動(dòng)，受電弓承受著自身重力，氣流引起的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力，列車振動(dòng)和接觸網(wǎng)波動(dòng)引起的}慣性力。靜態(tài)分析時(shí)，忽略列車和接觸網(wǎng)的隨機(jī)激擾，受電弓底部的絕緣子視為固定約束，弓頭頂部的接觸網(wǎng)可簡(jiǎn)化為彈性約束，所承受的外力為氣動(dòng)力F和Fv、自身重力G和升弓力矩M。通過軟件建立V500高速受電弓精確的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench生成有限元模型。受電弓實(shí)體模型較為復(fù)雜，靜態(tài)仿真時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，使有限元模型既能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，又能滿足有較高的計(jì)算精度和縮小解題規(guī)模的要求。
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