开题报告
设计（论文）题 目 题目来源 学生姓名 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 题目类型 学 号 指导教师 专 业 开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力； （2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力； （3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力； （4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力； （6）培养学生创新能力和创新精神。 本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起止日期 工 作 内 容 毕业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告； 进行毕业设计，学习有限元软件的使用方法、进行理论计算与有限元模拟、分析模拟结果，接收毕业设计中期检查，撰写毕业设计论文； 修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。
文 献 综 述 1、引 言 高杆灯以节能、维修方便、集中照明等优势受到了人们的广泛欢迎，尤其在道路互道立交、港口、码头、机场、体育场、货场、施工工地等场合，都需要使用具有强照明能力的灯具。 简介高杆灯及有限元计算分析 目前的高杆灯主要是高度在 15 米以上钢制柱形灯杆和大功率组合式灯架构成的新型照明装置。它由灯头、内部灯具电器、杆体及其基础部分组成。内部灯具多由泛光灯和投光灯组成。 随着计算机技术的不断发展 有限元法越来越多地应用于计算机辅助工程领域，但就目前来说还没有普及到通用设施领域；不过在别的领域如汽车制造应用的已经非常广泛。应用ANSYS大型商用有限元软件，对路灯灯杆结构进行有限元计算。分析灯杆结构在自重、风载、雪载等多种载荷作用下的应力应变场分布情况，分析路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求，并在此基础上进行了改进设计，以降低灯杆的重量与成本。 高杆灯各大部件的设计概况 （1）灯源的选择 高压钠灯：是中气体放电的灯，需要在玻壳内冲入钠汞蒸汽，才能通过电极电离气体，激发可见光，寿命长，功率高，透雾性好，显色指数低。 低压钠灯：是利用低压钠蒸气放电发光的电光源，在它的玻璃外壳内涂以红外线反射膜，是光衰较小和发光效率最高的电光源，但国内应用少。 金卤灯：是交流电源工作的在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，光效高，显色指数高，但寿命低且昂贵，路灯应用较少，可在关键路口使用照明。 （2）灯杆杆体形状选择 目前,国内安装使用的高杆灯的杆体,常见圆台型焊接式和正12棱台型套接式两种。前者是在安装现场把多节圆台型杆体当场焊接成型,整杆起吊安装;后者在安装现场分节起吊,逐步套接安装。这仅是表象的区别。从建筑力学和抗风荷载的本质特性来分析,两者的静力学特征和抗风荷载的情况,却有着显著的差异。圆台型灯杆的体形风压系数为0.8;而正12棱台灯杆的体形风压系数: us=0.8+1.2/n=0.8+1.2/12=1.1464(n—正棱台的边数12)[1]。换言之,同一高度横截面积相等的两种型式的高杆灯,它们在同等风速下,正12棱台灯杆所受到的风荷载作用力将是圆台型灯杆的1.433倍。那么,在这情况下,为了使这两种造型的灯杆具有相同的抗风荷载能力及相同的安全系数,正12棱台型灯杆的杆体钢板的壁厚、同一高度处的截面积、甚至是地脚紧固螺栓的直径等都必须 比圆台型杆体来得大,高杆灯整体耗材也大。虽然正12棱台型灯杆省去了安装现场焊接的麻烦,但杆体间的多节套接,增加了杆体的实际长度。 其次,正12棱台套节式灯杆各分套节的成型,是预先裁切的梯形钢板料在特
大功率的折弯机上弯折12条棱线后,由自动焊接机焊接成正12棱台型分节钢筒。钢板在形变中,刚度必受挫损。而圆台型灯杆的杆体横截面为一个圆,从几何力学来看,圆的刚度比正12边形大得多,所以相同截面积的圆台型灯杆比起正12棱台型灯杆的抗风荷载能力大得多。但也有人怀疑圆台型分节杆体在高杆灯安装过程中,各分节之间的对口碰焊在抗风荷载中的强度问题。其实,在各分节对口碰焊处的杆体内,内衬一小段钢环(见图1),使其同时焊连在碰焊缝内侧杆体上,再加上电焊烧结的理化特性,碰焊缝处的刚度和强度大大增强。 （3）灯盘形状的选择： 高杆灯灯盘方面高杆灯的主要重量集中在杆顶的灯盘之上，而且高杆灯的外观也很大程度上由灯盘的外形决定。优美得体的灯盘不仅可以减轻对灯杆的风荷载负荷，而且与周围建筑物的谐和也是现代化城镇的一道风景线。 从风荷载计算，还是使用实践来看，灯盘的直径能小则小，漏空系数能大则大。这样，灯盘所受的风荷载作用就小，对杆体和基座的威胁也小。 从力学角度分析，即使对于被照区域的照明半径大、照度要求高、布灯多的高杆灯，设计时灯盘的直径一般不要大于杆高的 1/7。几种灯盘的设计形式有:蘑菇形、牵牛花形、盘花形、飞碟形。 如果高杆灯出现灯杆振动过大，长期过大振动会提前疲劳损坏，特别是过大的振动量和不合适的频率易使照明灯泡寿命降低。所以，高杆灯设计时必须考虑不同地区的风力特征、激励的风谱、如何抗击风振等避免灯杆振动过大。同时高杆灯的底座,一般取25mm厚的钢板做成圆环形,通过杆根外围的支撑板与其连接以增加承受强度。环形底板的圆形面积尽可能做大些,以增大与基础的接触面,增大整基高杆灯的地面部分的稳度,减少对基础的压强。 （4）高杆灯的升降控制 灯盘的升降系统是由电动机，减速机，传动齿轮，轮轴，钢索和滑轴组组成的卷扬机组。卷扬机组电动升降灯盘的过程和灯盘上照明灯具自动启闭都离不开电器控制，这两个部分一起成为高杆灯的电器控制系统。 （5）灯盘的自动挂，脱钩装置 国内外的高杆灯,灯盘在杆顶处的自动挂、脱钩始终是高杆灯技术中的一大难题,因灯盘上升至杆顶时,由于高空的气流或风速的影响,使灯盘产生的不平衡而导致三只挂钩未能同时顺利返转,使挂钩 难以成功。在灯盘下降前的脱钩过程中,因挂钩部位受风雨侵蚀,又不需同时脱钩。为此,不得不反复启动灯盘以求达到灯盘挂、脱钩的目的。可采用电磁阀挂脱钩装置。 优化设计 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓最优设计，指的是一 种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量、面积、体积、应力、费用等)最小。即，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说:尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的大小)、支撑位置、制造费用、自然频率以及材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项均可以作优化设计。 ANSYS提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以有效地处理大多数工程问题。一阶方法基于目
标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS提供了一系列的分析—评估—修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结构就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。在ANSYS的优化设计中包括的基本定义有:设计变量、状态变量、目标函数、合理和不合理的设计、分析文件、迭代、循环、设计序列等。 主要参考文献 [1] 高层建筑结构设计与施工问答[M].上海:上海同济大学,1995 [2] 浅谈高杆灯的总体设计制作[M]. 石听安 /武进照明电器研究所 [3] 三十米高杆灯的风致振动的测量研究[M]. 诸葛鸿程，李德葆(清华大学工程力学系,北京100084) 1998.5 [4] 高杆灯杆体强度与挠度分析[M]. 俞晓红姜永生（交通部水运科学研究所北京 100088） [5] 太阳能路灯照明系统的受力分析与强度效核[M]. 许基朵（成都钟顺科技发展有限公司四川·成都610064） [6] 高杆灯总体设计概论[M]. 石听安 (常为市新北区吕墅中学,213132) 2003.3 [7] 高杆灯承受最大风荷载时紧固地脚螺栓的拉力计算[M]. 石听安(江苏武进市照明电器厂 武进市 213117 1999 [8] 铌在强化超合金中的作用 (李惠平) [9] 35米高杆灯基础设计施工新方法 曹守海(丹东港务局) [10] 高杆灯的介绍与施工 北京市第五市政工程公司机电分公司工程师窦剑飞 [11] 浅议高杆灯塔开发与应用 沈阳铁路局锦州勘测设计院赵拘传 [12] 高 杆 照 明 技 术 姜启鹏 1998 [13] 港口固定式高杆照明灯的改造 山东省龙口港务管理局仲杰 [14] 高杆照明系统的应用和结构 上海铁路局勘设所 蔡君伟
本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 课题：25米高杆路灯杆灯的有限元分析 研究和解决的问题：建立25米高杆路灯灯杆的有限元计算模型，对承受自重、风载、雪载等多种载荷作用下的灯杆进行有限元计算，分析25米高杆路灯灯杆在应力应变场分布情况以及变形情况，研究路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求。 拟采用的研究手段： 灯杆的整体设计时,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的50年一遇的最大风速下,所经受到的最大风荷载作用,(个别地方,还须考虑周围气雾的影响)复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯矩(也叫倾覆力矩)及各分节杆体的力学特征,同时更应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数,以及螺栓孔中心圆的直径。 在运用 ANSYS 软件设计灯杆模型时，用有限元程序对灯杆进行整体分析，所以本文工作应从以下几个方面着手，其主要工作是： （1）了解高杆灯的功用与要求 （2）简单介绍有限元法与 ANSYS 软件。 （3）用 solidworks 进行三维建模。 （4）运用 ANSYS10.0，对模型进行相应的设置，包括有限元类型、材料属性、 网格划分、位移约束、载荷加载等等。 （5）对 ANSYS 里的灯杆模型进行稳定性分析，得出变形最大位置及数据。 全部设计过程综合运用了四年来所学的各种知识机械原理、机械设计、机械制图、材料力学和理论力学等专业方面的知识。通过本次设计，不但增强了自己独立查阅文献，独立设计计算，独立思考等各方面的能力，更重要的，是对四年来大学知识的一个总结，同时，也为自己即将的社会生活打下了一个坚实的基础。