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本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 學 生 姓 名 專 業(yè) 班 級 指 導 教 師 完 成 日 期 畢業(yè)設(shè)計（論文）前期工作材料 學 生 姓 名： 學號： 教 科 部： 專 業(yè)： 設(shè)計（論文）題目： 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 指 導 老 師： 材 料 目 錄 序號 名 稱 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 1 3 畢業(yè)設(shè)計（論文）實習調(diào)研報告 1 4 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（含文獻綜述） 1 5 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯（含 原文） 1 6 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 1 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目申報表 設(shè)計（論文）題 目 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 題目類型 題目來源 面向?qū)I(yè) 指導教師 職 稱 學 位 從事專業(yè) 題目簡介： 本課題主要運用 型商用有限元軟件，對 25 米高桿路燈燈桿 燈桿結(jié)構(gòu)進行 力學分析 與有限元計算。分析 25 米 路燈燈桿在自重、風載、雪載等多種載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變場分布情況，分析路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強度與剛度是否符合設(shè)計要求，并在此基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計，以降低燈桿的重量與成本。 審核意見： 審核人簽名： 年 月 日 題目類型－－ 1、為結(jié)合科研； 2、為結(jié)合生產(chǎn)實際； 3、為結(jié)合大學生科研訓練計劃； 4、為結(jié)合學科競賽； 5、模擬仿真； 6、其它 題目來源 －－ ； 擬 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 教 科 部： 專 業(yè)： 學生姓名 : 學號 : 畢業(yè)（論文）題 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 起 迄 日 期： 設(shè)計（論文）地點： 指 導 老 師： 專 業(yè) 負 責 人： 發(fā)任務(wù)書日期： 年 月 日 畢業(yè)論文任務(wù)書 論文題目 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 年級 專業(yè) 學生姓名 學號 主要內(nèi)容： 計； 5米高桿路燈燈桿的有限元計算模型，對承受自重、風載、雪載等多種載荷作用下的燈桿進行有限元計算，分析 25 米路燈燈桿在應(yīng)力應(yīng)變場分布情況以及變形情況，研究路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強度與剛度是否符合設(shè)計要求。 降低燈桿的重量與成本，最終確定最為合理的設(shè)計方案； 5篇以上，翻譯不少于 5000 印刷符的英文資料； 括工作任務(wù)分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 幅不少于 1萬字。 主要任務(wù)及基本要求 （包括指定的參考資料）： 主要任務(wù)及基本要求： 1、撰寫開題報告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報告或文獻綜述、方案擬定與分析以及實施計劃等； 2、查閱文獻 15 篇以上，翻譯不少于 5000 印刷符的英文資料； 3、熟練運有限元分析軟件； 4、能夠運用 過計算獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場分布規(guī)律； 5、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于 1萬字。 主要參考文獻： [1] 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工問答 [M]上海同濟大學 ,1995 [2] 淺談高桿燈的總體設(shè)計制作 [M]. 石聽安 /武進照明電器研究所 [3] 三十米高桿燈的風致振動的測量研究 [M]. 諸葛鴻程，李德葆 (清華大學工程力學系 ,北京 100084) 4] 高桿燈桿體強度與撓度分析 [M]. 俞曉紅姜永生（交通部水運科學研究所北京 100088） [5] 太陽能路燈照明系統(tǒng)的受力分析與強度效核 [M]. 許基朵（成都鐘順科技發(fā)展有限公司四川·成都 610064） [6] 高桿燈總體設(shè)計概論 [M]. 石聽安 (常為市新北區(qū)呂墅中學 ,213132) 7] 高桿燈承受最大風荷載時緊固地腳螺栓 的拉力計算 [M]. 石聽安 (江蘇武進市照明電器廠 武進市 213117 1999 [8] 鈮在強化超合金中的作用 (李惠平 ) [9] 35米高桿燈基礎(chǔ)設(shè)計施工新方法 曹守海 (丹東港務(wù)局 ) [10] 高桿燈的介紹與施工 北京市第五市政工程公司機電分公司工程師竇劍飛 [11] 淺議高桿燈塔開發(fā)與應(yīng)用 沈陽鐵路局錦州勘測設(shè)計院趙拘傳 [12] 高 桿 照 明 技 術(shù) 姜啟鵬 1998 [13] 港口固定式高桿照明燈的改造 山東省龍口港務(wù)管理局仲杰 [14] 高桿照明系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu) 上海鐵路局勘設(shè) 所 蔡君偉 發(fā)出任務(wù)書日期： 完成期限： 指導教師簽名： 專業(yè)主任簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）實習調(diào)研報告 學 生 姓 名： 學號： 專 業(yè)： 指 導 老 師： 參觀實習報告 在大學的學習生活中，實習是不可缺少的一部分。在實習期間可以把在學校學到的專業(yè)知識應(yīng)用到實際當中。在理論與實踐相結(jié)合的時候，能夠更快更好地體會到理論的精髓所在，體會到理論與實踐的區(qū)別。從而鞏固自己所學的知識，增強發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。從而做到理論與實際的融會貫通。生產(chǎn)實習時大學生學習很重要的實踐環(huán)節(jié)。實習是每一個大學畢業(yè)生的必修課，它不僅讓我們學到了很多課堂上根本學不到的知識，還使我們開闊了視野，增長了見識，為我們以后更好把所學的知識運用大實際工作中打下堅實的基礎(chǔ) 。通過生產(chǎn)實習使我更深入的接觸專業(yè)知識。 3 月 28 日我們在揚力集團田工以及研究生的帶領(lǐng)下到揚力工廠進行參觀實習。田工為我們做了具體介紹。江蘇揚力集團有限公司是專業(yè)從事鍛壓機械設(shè)計、制造的企業(yè) ,前身為揚州第二鍛壓機床廠，始建于 1956 年。集團下轄六個生產(chǎn)型企業(yè)，分別為：江蘇揚力集團有限公司（控股母公司）、江蘇富力數(shù)控機床有限公司、江蘇國力鍛壓機床有限公司、江蘇揚力堅城鍛壓機床有限公司、江蘇揚力鑄段有限公司、江蘇揚力模具有限公司。集團建立了一個鍛壓機械研究院，下轄四個研究所；并與東南大學共同申報設(shè)立了企業(yè)博士后 工作站；與揚州大學建立了開發(fā)全伺服機床產(chǎn)品的合作；與中國科學院長春光學精密機械與物理研究院合資建立了激光技術(shù)與裝備工程研究中心。 揚力集團的企業(yè)精神：團結(jié)、敬業(yè)、開拓、進取。揚力產(chǎn)品的市場方針：技術(shù)的不斷創(chuàng)新、產(chǎn)品的日臻完美、服務(wù)的更加完善、讓用戶滿意的高品質(zhì)是我們永恒的追求。 田 工 重 點 為 我 們 介 紹 了 數(shù) 控 轉(zhuǎn) 塔 沖 床 以 及 剪 板 機 。 其 中 包 括30,及 列。列舉了幾大產(chǎn)品的具體參數(shù)以及工作原理操作方法等，使我們對揚力有了更深入的了解，對揚力的產(chǎn)品也有了進一步的認識。在企業(yè)員 工的指導下，我們見習生產(chǎn)流程及技術(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)，鍛煉自己觀察能力及知識運用能力。 社會工作能力得到了相應(yīng)的提高 ,在實習過程中，我們不僅從企業(yè)職工身上學到了知識和技能，更使我們學會了企業(yè)中科學的管理方式和他們的敬業(yè)精神。感到了 生活的充實和學習的快樂，以及獲得知識的滿足。真正的接觸了社會，使我們消除了走向社會的恐懼心里，使我們對未來充滿了信心，以良好的心態(tài)去面對社會。同時，也使我們體驗到了工作的艱辛，了解了當前社會大學生所面臨的嚴峻問題，促使自己努力學習更多的知識，為自己今后的工作奠定良好的基礎(chǔ) 本次實習使 我第一次親身感受了所學知識與實際的應(yīng)用，理論與實際的相結(jié)合，讓我們大開眼界，也算是對以前所學知識的一個初審吧！這次生產(chǎn)實習對于我們以后學習、找工作也真是受益菲淺。在短短的時間里，讓我們初步讓理性回到感性的重新認識，也讓我們初步的認識了這個社會，對于以后做人所應(yīng)把握的方向也有所啟發(fā)！ 總之短短的實習，讓我大開眼界，也學會了不少東西，也讓我對自己今后要從事的行業(yè)有所思考。原來的那種心高氣傲沒有了，取而代之的是腳踏實地的努力工作學習的決心和信心。當我擺正自己的心態(tài)，從初涉社會工作的被動狀態(tài)轉(zhuǎn)變到開始適應(yīng)社會的主動 狀態(tài)，以放松的心情，充沛的精力重新回到緊張的學習工作當中時，我忽然有種這樣的感受：短短 的時間 ，仿佛思想又得到了一次升華，心中又多了一份人生感悟。 這次實習讓我深刻體會到讀書固然是增長知識開闊眼界的途徑，但是多一些實踐，暢徉于實踐當中接觸實際的工作，觸摸一下社會的脈搏，給自己定個位，也是一種絕好的提高自身綜合素質(zhì)的選擇。 我們的實習雖然結(jié)束了，但是，我們的學習卻仍在繼續(xù)！ 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學 生 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 設(shè)計 (論文 )題目： 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 指 導 老 師： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題 目 25米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 題目來源 題目類型 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 開題 報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時間安排；完成畢業(yè)設(shè)計（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的： （ 1）培養(yǎng)學生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （ 2）培養(yǎng)學生的工程設(shè)計能力，主要包括設(shè)計、計算及繪圖能力； （ 3）培養(yǎng)學生的綜合運用專業(yè)理論知識，分析解決實際問題的能力； （ 4）培養(yǎng)學生的在設(shè)計過程中使用計算機的能力； （ 5）培養(yǎng)學生的撰寫設(shè)計說明書、論文的能力； （ 6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢 業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 畢業(yè)設(shè)計開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實習調(diào)研和實習報告，完成開題報告； 進行畢業(yè)設(shè)計，學習有限元軟件的使用方法、進行理論計算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 ； 修改完善畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計期間的所有資料、成果并歸檔。 文 獻 綜 述 1、引 言 高桿燈以節(jié)能、維修方便、集中照明等優(yōu)勢受到了人們的廣泛歡迎，尤其在道路互道立交、港口、碼頭、機場、 體育場、貨場、施工工地等場合，都需要使用具有強照明能力的燈具。 簡介高桿燈及有限元計算分析 目前的高桿燈 主要 是高度在 15 米以上鋼制柱形燈桿和大功率組合式燈架構(gòu)成的新型照明裝置。它由燈頭、內(nèi)部燈具電器、桿體及其基礎(chǔ)部分組成。內(nèi)部燈具多由泛光燈和投光燈組成。 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展 有限元法越來越多地應(yīng)用于計算機輔助工程領(lǐng)域，但就目前來說還沒有普及到通用設(shè)施領(lǐng)域；不過在別的領(lǐng)域如汽車制造應(yīng)用的已經(jīng)非常廣泛。應(yīng)用 路燈燈桿結(jié)構(gòu)進行有限元計算。分析燈桿結(jié)構(gòu)在自重、風載、雪載等多種 載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變場分布情況，分析路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強度與剛度是否符合設(shè)計要求，并在此基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計，以降低燈桿的重量與成本。 高桿燈各大部件的設(shè)計概況 （ 1） 燈源的選擇 高壓鈉燈：是中氣體放電的燈，需要在玻殼內(nèi)沖入鈉汞蒸汽，才能通過電極電離氣體，激發(fā)可見光，壽命長，功率高，透霧性好，顯色指數(shù)低。 低壓鈉燈：是利用低壓鈉蒸氣放電發(fā)光的電光源，在它的玻璃外殼內(nèi)涂以紅外線反射膜，是光衰較小和發(fā)光效率最高的電光源，但國內(nèi)應(yīng)用少。 金鹵燈：是交流電源工作的在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣中產(chǎn)生電弧 放電發(fā)光的放電燈，光效高，顯色指數(shù)高，但壽命低且昂貴，路燈應(yīng)用較少，可在關(guān)鍵路口使用照明。 （ 2） 燈桿桿體形狀選擇 目前 ,國內(nèi)安裝使用的高桿燈的桿體 ,常見圓臺型焊接式和正 12棱臺型套接式兩種。前者是在安裝現(xiàn)場把多節(jié)圓臺型桿體當場焊接成型 ,整桿起吊安裝 ;后者在安裝現(xiàn)場分節(jié)起吊 ,逐步套接安裝。這僅是表象的區(qū)別。從建筑力學和抗風荷載的本質(zhì)特性來分析 ,兩者的靜力學特征和抗風荷載的情況 ,卻有著顯著的差異。圓臺型燈桿的體形風壓系數(shù)為 正 12棱臺燈桿的體形風壓系數(shù) : .2/n=2=n— 正棱臺的邊數(shù) 12)[1]。換言之 ,同一高度橫截面積相等的兩種型式的高桿燈 ,它們在同等風速下 ,正 12棱臺燈桿所受到的風荷載作用力將是圓臺型燈桿的 么 ,在這情況下 ,為了使這兩種造型的燈桿具有相同的抗風荷載能力及相同的安全系數(shù) ,正 12棱臺型燈桿的桿體鋼板的壁厚、同一高度處的截面積、甚至是地腳緊固螺栓的直徑等都必須 比圓臺型桿體來得大 ,高桿燈整體耗材也大。雖然正 12棱臺型燈桿省去了安裝現(xiàn)場焊接的麻煩 ,但桿體間的多節(jié)套接 ,增加了桿體的實際長度。 其次 ,正 12棱臺 套節(jié)式燈桿各分套節(jié)的成型 ,是預(yù)先裁切的梯形鋼板料在特 大功率的折彎機上彎折 12條棱線后 ,由自動焊接機焊接成正 12棱臺型分節(jié)鋼筒。鋼板在形變中 ,剛度必受挫損。而圓臺型燈桿的桿體橫截面為一個圓 ,從幾何力學來看 ,圓的剛度比正 12邊形大得多 ,所以相同截面積的圓臺型燈桿比起正 12棱臺型燈桿的抗風荷載能力大得多。但也有人懷疑圓臺型分節(jié)桿體在高桿燈安裝過程中 ,各分節(jié)之間的對口碰焊在抗風荷載中的強度問題。其實 ,在各分節(jié)對口碰焊處的桿體內(nèi) ,內(nèi)襯一小段鋼環(huán) (見圖 1),使其同時焊連在碰焊縫內(nèi)側(cè)桿體上 ,再加上電焊燒結(jié)的理化特性 ,碰焊 縫處的剛度和強度大大增強。 （ 3） 燈盤形狀的選擇 ： 高桿燈燈盤方面高桿燈的主要重量集中在桿頂?shù)臒舯P之上，而且高桿燈的外觀也很大程度上由燈盤的外形決定。優(yōu)美得體的燈盤不僅可以減輕對燈桿的風荷載負荷，而且與周圍建筑物的諧和也是現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的一道風景線。 從風荷載計算，還是使用實踐來看，燈盤的直徑能小則小，漏空系數(shù)能大則大。這樣，燈盤所受的風荷載作用就小，對桿體和基座的威脅也小。 從力學角度分析，即使對于被照區(qū)域的照明半徑大、照度要求高、布燈多的高桿燈，設(shè)計時燈盤的直徑一般不要大于桿高的 1/7。幾 種燈盤的設(shè)計形式有 :蘑菇形、牽?；ㄐ?、盤花形、飛碟形。 如果高桿燈出現(xiàn)燈桿振動過大，長期過大振動會提前疲勞損壞，特別是過大的振動量和不合適的頻率易使照明燈泡壽命降低。所以，高桿燈設(shè)計時必須考慮不同地區(qū)的風力特征、激勵的風譜、如何抗擊風振等避免燈桿振動過大。同時高桿燈的底座 ,一般取 25通過桿根外圍的支撐板與其連接以增加承受強度。環(huán)形底板的圓形面積盡可能做大些 ,以增大與基礎(chǔ)的接觸面 ,增大整基高桿燈的地面部分的穩(wěn)度 ,減少對基礎(chǔ)的壓強。 （ 4） 高桿燈的升降控制 燈盤的升降系統(tǒng) 是由電動機，減速機，傳動齒輪，輪軸，鋼索和滑軸組組成的卷揚機組。卷揚機組電動升降燈盤的過程和燈盤上照明燈具自動啟閉都離不開電器控制，這兩個部分一起成為高桿燈的電器控制系統(tǒng)。 （ 5） 燈盤的自動掛，脫鉤裝置 國內(nèi)外的高桿燈 ,燈盤在桿頂處的自動掛、脫鉤始終是高桿燈技術(shù)中的一大難題 ,因燈盤上升至桿頂時 ,由于高空的氣流或風速的影響 ,使燈盤產(chǎn)生的不平衡而導致三只掛鉤未能同時順利返轉(zhuǎn) ,使掛鉤 難以成功。在燈盤下降前的脫鉤過程中 ,因掛鉤部位受風雨侵蝕 ,又不需同時脫鉤。為此 ,不得不反復啟動燈盤以求達到燈盤掛、 脫鉤的目的?？刹捎秒姶砰y掛脫鉤裝置。 優(yōu)化設(shè)計 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。所謂最優(yōu)設(shè)計，指的是一 種方案可以滿足所有的設(shè)計要求，而且所需的支出 (如重量、面積、體積、應(yīng)力、費用等 )最小。即，最優(yōu)設(shè)計方案就是一個最有效率的方案。設(shè)計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說 :尺寸 (如厚度 )、形狀 (如過渡圓角的大小 )、支撐位置、制造費用、自然頻率以及材料特性等。實際上，所有可以參數(shù)化的 兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法是一個很 完善的處理方法，可以有效地處理大多數(shù)工程問題。一階方法基于目 標函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。對于這兩種方法， 評估 — 修正的循環(huán)過程。就是對于初始設(shè)計進行分析，對分析結(jié)構(gòu)就設(shè)計要求進行評估，然后修正設(shè)計。這一循環(huán)過程重復進行直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。在 設(shè)計變量、狀態(tài)變量、目標函數(shù)、合理和不合理的設(shè)計、分析文件、迭代、循環(huán)、設(shè)計序列等。 主要參考文獻 [1] 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工問答 [M]上海同濟大學 ,1995 [2] 淺談高桿燈的總體設(shè)計制作 [M]. 石聽安 /武進照明電器研究所 [3] 三十米高桿燈的風致振動的測量研究 [M]. 諸葛鴻程，李德葆 (清華大學工程力學系 ,北京 100084) 4] 高桿燈桿體強度與撓度分析 [M]. 俞曉紅姜永生（交通部水運科學研究所北京 100088） [5] 太陽能路燈照明系統(tǒng)的受力分析與強度效核 [M]. 許基朵（成都鐘順科技發(fā)展有限公司四川·成都 610064） [6] 高桿燈總體設(shè)計概論 [M]. 石聽安 (常為市新北區(qū)呂墅中學 ,213132) 7] 高桿燈承受最大風荷載時緊固地腳螺栓的拉力計算 [M]. 石聽安 (江蘇武進市照明電器廠 武進市 213117 1999 [8] 鈮在強化超合金中的作用 (李惠平 ) [9] 35米高桿燈基礎(chǔ)設(shè)計施工新方法 曹守海 (丹東港務(wù)局 ) [10] 高桿燈的介紹與施工 北京市第五市政工程公司機電分公司工程師竇劍飛 [11] 淺議高桿燈塔開發(fā)與應(yīng)用 沈陽鐵路局錦州勘測設(shè)計院趙拘傳 [12] 高 桿 照 明 技 術(shù) 姜啟鵬 1998 [13] 港口固定式高桿照明燈的改造 山東省龍口港務(wù)管理局仲杰 [14] 高桿照明系統(tǒng)的應(yīng)用和結(jié)構(gòu) 上海鐵路局勘設(shè)所 蔡君偉 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑） 課題 ： 25米高桿 路燈 桿 燈的有限元分析 研究和解決的問題 ：建立 25米高桿路燈燈桿的有限元計算模型，對承受自重、風載、雪載等多種載荷作用下的燈桿進行有限元計算，分析 25米高桿路燈燈桿在應(yīng)力應(yīng)變場分布情況以及變形情況，研究路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強度與剛度是否符合設(shè)計要求。 擬采用的研究手段： 燈桿的整體設(shè)計時 ,必須以風荷載計算為依據(jù)。參照高桿燈安裝現(xiàn)場所在地區(qū)的50 年一遇的最大風速下 ,所經(jīng)受 到的最大風荷載作用 ,(個別地方 ,還須考慮周圍氣霧的影響 )復核計算擬定的高桿燈桿根處應(yīng)承受的總風荷載彎矩 (也叫傾覆力矩 )及各分節(jié)桿體的力學特征 ,同時更應(yīng)該測算高桿燈底板的直徑和底板上地腳緊固螺栓孔的個數(shù) ,以及螺栓孔中心圓的直徑。 在運用 件設(shè)計燈桿模型時，用有限元程序?qū)魲U進行整體分析，所以本文工作應(yīng)從以下幾個方面著手，其主要工作是： （ 1）了解高桿燈的功用與要求 （ 2）簡單介紹有限元法與 件。 （ 3）用 進行三維建模。 （ 4）運用 模型進行相應(yīng)的設(shè)置，包括有限元類型、材料屬性、 網(wǎng)格劃分、位移約束、載荷加載等等。 （ 5）對 的燈桿模型進行穩(wěn)定性分析，得出變形最大位置及數(shù)據(jù)。 全部設(shè)計過程綜合運用了四年來所學的各種知識機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、材料力學和理論力學等專業(yè)方面的知識。通過本次設(shè)計，不但增強了自己獨立查閱文獻，獨立設(shè)計計算，獨立思考等各方面的能力，更重要的，是對四年來大學知識的一個總結(jié)，同時，也為自己即將的社會生活打下了一個堅實的基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期自 查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 學號 專業(yè) 班級 指導教師 職 稱 設(shè)計（論文）題 目 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 個人精力 實際投入 每天平均工作時 間 迄今缺席天數(shù) 出勤率 % 指導教師每周指導次數(shù) 每周指導時間（小時） 未指導的周次及原因 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進度（完成）內(nèi)容及比重 已完成主要內(nèi)容（ %） 待完成主要內(nèi)容（ %） 存在問題及解決方案 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導教師審閱意見表 設(shè)計（論文）題目 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 學生姓名 專業(yè) 班級 指導教師姓名 職稱 得分 指導教師審閱意見： 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人意見表 設(shè)計（論文）題目 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 學生姓名 專業(yè) 班級 評閱人姓名 職稱 得分 評閱人 意見： 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯結(jié)果表 設(shè)計（論文）題目 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 學生姓名 專業(yè) 班級 答辯記錄： 答辯小組意見： 得 分 組長簽名 日 期 答辯委員會意見： 指導教師評 分 評閱人評 分 答辯小組得 分 結(jié)構(gòu)分 最終成績 主任簽章 日 期 摘 要 隨著社會的發(fā)展與進步，各種大型廣場、車站、 公路立交橋、港口以及機場 等陸續(xù)建成，這些區(qū)域?qū)?大面積照明的需求推動了高桿燈的發(fā)展。而隨著高桿燈越來越廣泛的應(yīng)用，它的結(jié)構(gòu)強度和成本也逐漸成為了社會關(guān)注的焦點。高桿燈的設(shè)計制作是多門學科交錯滲透的綜合體 ,其深刻的機理自有著它的嚴密性和科學性。 本課題主要運用了 25米高桿路燈燈桿結(jié)構(gòu)在風載、雪載以及自身重力的作用下，進行了有限元分析，得出燈桿各部件的應(yīng)力與變形的大致分布情況，分析路燈燈桿結(jié)構(gòu)的強度是否符合設(shè)計的要求。并且在此基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，通過進一步減小桿壁的厚度、調(diào)整法蘭孔及螺栓尺寸、減小地基體積等方法成功地降低了高桿 燈的重量與成本。 關(guān)鍵詞：高桿燈，有限元分析， 力 of of to of of it’s of is a of is is 5 it we of of to it of on to by of 目錄 摘要 一章 緒 論 ............................................................................................................. 1 言 ....................................................................................................................... 1 桿路燈的國內(nèi)外研究狀況 ............................................................................... 4 桿燈桿體強度分析以及變形 .......................................................................... 6 高桿燈桿體的力學計算 ........................................................................ 6 高桿燈桿體壁厚沿桿體高度的合理布置 ............................................ 9 桿體選用不同材料對桿體參數(shù)確定的影響 ...................................... 10 桿燈系統(tǒng)的受力分析和強度校核 ................................................................ 10 章小結(jié) ............................................................................................................. 11 第二章 高桿燈的總體設(shè)計 ............................................................................... 12 桿設(shè)計 ............................................................................................................ 12 源及燈具配置 ................................................................................................. 13 源的選擇 ............................................................................................ 13 具的選擇 ............................................................................................ 13 盤及升 降機構(gòu) ................................................................................................ 14 基礎(chǔ)設(shè)計與修建 .............................................................................................. 16 第三章 25米高桿路燈桿燈有限元分析的建模過程 .................................... 18 關(guān)軟件介紹 .................................................................................................... 18 介 ................................................................................... 18 25 米高桿燈的主要內(nèi)容和參數(shù) ............................................................. 25 件簡介 ............................................................................................... 27 軟件模型處理過程 .......................................................................................... 27 5 米高桿燈的有限元模型 ............................................................................... 28 決的問題 ........................................................................................................ 28 第四章 25米高桿路燈燈桿的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計 ............................... 30 單一載荷下的有限元分析 ............................................................................ 30 風載 ...................................................................................................... 30 雪載 ...................................................................................................... 33 重載荷下的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計 ............................................................ 36 限元分析 ............................................................................................ 36 結(jié)論分析 .............................................................................................. 40 構(gòu)優(yōu)化 ................................................................................................ 41 優(yōu)化建議 .............................................................................................. 45 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 46 參考文獻 ......................................................................................................................... 47 致 謝 ......................................................................................................................... 46 英文文獻 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 1 第一章 緒 論 言 近年來 ,伴隨著國內(nèi)照明技術(shù)的不斷提高和引進國外的先進照明裝置 ,高桿燈照明越來越受到人們的歡迎和廣泛重視。如 1996 年 9 月完工的滬寧高速公路 ,就采用了英國的 比如 1997年 7月完工的南京祿口國際機場專用高速公路也采用了英國的科藝公司的照明技術(shù)。國內(nèi)外的高桿 照明技術(shù)正在向?qū)嵱没⒐δ芑姆较虬l(fā)展。燈桿由圓柱等徑向多邊形的錐體發(fā)展，燈盤結(jié)構(gòu)由裝飾型向框架功能型發(fā)展，升降機構(gòu)由單筒向多筒發(fā)展，光源由 400W 鈉燈向 1000W 鈉燈發(fā)展 ,電器控制由人工的向時控及光控等自動控制方向發(fā)展。除此之外 ,燈桿表面的防腐處理工藝、掛鉤結(jié)構(gòu)、電器控制等很多方面也向高技術(shù)方向發(fā)展。再比如高桿燈的桿體也正由等徑柱體加芯接式向多面錐體分段套接式方向發(fā)展，桿材也由過去的 235A 低碳鋼方向發(fā)展。高桿燈表面防腐工藝呢，也由過去的熱噴鋁工藝向內(nèi)外熱浸鋅工藝方向發(fā)展 ,這就是是高桿照明技 術(shù)的一大進步。燈桿的焊接容積深度要大于 則會危及使用安全。焊接的工藝適宜采用自動氬氣保護電弧焊或者自動埋弧焊焊接工藝。燈桿的臂厚應(yīng)該根據(jù)使用環(huán)境條件和自身的結(jié)構(gòu)強度要求取定 ,臂厚太厚了不經(jīng)濟、浪費材料 ,若太薄了又不能滿足強度和安全要求 ,同時還要考慮到安裝、運輸過程中的變形問題。對于國內(nèi)鋼材特點 ,30m 以下的高桿燈桿體宜卷壓折彎成 12 邊形以下 ,因為不這樣燈桿外形將失去外形輪廓美感。燈桿的內(nèi)外適宜采用熱浸鋅工藝處理 ,鍍鋅層厚度要求大于 86610g/面述說的燈桿結(jié)構(gòu)和防腐工藝克服了傳統(tǒng)等徑柱 體加芯焊接結(jié)構(gòu)的許多缺陷。比如 :接口處易生銹掛鐵銹斑跡，易生銹層層剝離 ,內(nèi)臂防腐性能差等等。新型結(jié)構(gòu)防腐效果比較好 ,安裝也相對方便簡單。 高桿燈一般是指 25米以上的大功率組合式燈架和鋼 制柱型燈桿構(gòu)成的新型的照明裝置。它是由桿體、升降機構(gòu)燈座、內(nèi)部燈具電氣、及基礎(chǔ)部分組成的 [1]。因為 高桿燈具有挺拔且高聳的外形和十分出色的照明效果，所以被越來越廣泛地用于城市碼頭、公路、車站、體育場、立交橋等很多戶外大面積的照明場所。 與普通路燈比較，它具有照明燈具功率大、燈具數(shù)量多、燈桿高度高、照射范圍大的特點。在這 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 2 些公共地方 使用大型的燈具，安全性是很重要的。尤其是在一些惡劣的天氣中，有時可能會發(fā)生高桿燈的倒塌事故，倒塌的原因大部分是高桿燈燈桿的強度不夠，很多廠家在進行高桿燈的設(shè)計時，并沒有進行強度校核或者以低于 10級大臺風的要求進行校核。有關(guān)高桿燈燈桿結(jié)構(gòu)強度的驗算，我國目前還沒有具體的詳細規(guī)范。 目前 ,在國內(nèi)安裝使用的高桿燈桿體 ,常見的有正 12棱臺型套接式和圓臺型焊接式兩種。前者是在安裝的現(xiàn)場分節(jié)起吊 ,逐步套接安裝 ;后者呢是在安裝現(xiàn)場把多節(jié)圓臺型的桿體當場焊接成型 ,然后整桿起吊安裝。這僅僅是表面上的區(qū)別。從抗風荷載的本質(zhì)特性 和建筑力學來分析 ,兩者抗風荷載的情況和靜力學特征有著明顯的差異。正 12棱臺燈桿體形風壓系數(shù)是 圓臺型燈桿體形風壓系數(shù)才 句話說 ,同一高度橫截積相等的兩種樣式的高桿燈 ,它們在同樣的風速作用下 ,正 12棱臺燈桿受到的風荷載作用力是圓臺型燈桿的 這情況下 ,為了讓這兩種造型的燈桿有相同的抗風荷載能力和一樣的安全系數(shù) ,那么正 12 棱臺型燈桿桿體的鋼板壁厚、相同高度處的截面積、還有地腳緊固螺栓的直徑等必須比圓臺型桿體來得大 ,所以高桿燈整體耗材也大。正 12棱臺型燈桿雖然省去了安裝現(xiàn)場焊接的 麻煩 ,但是桿體間的多節(jié)套接 ,同時也增加了桿體的實際長度。就比如 30m 的高桿燈 ,做成三節(jié)套節(jié)式桿體 ,實際增加的桿體長度為 加了成本的同時又增加了自重和桿根處的負載。再者 ,正 12棱臺套節(jié)式的燈桿各分套節(jié)成型 ,是預(yù)先裁切的鋼板料在大功率的折彎機上彎折出 12條棱線后 ,再由自動焊接機焊接為正 12棱臺型分節(jié)鋼筒。鋼板在形變時 ,剛度必受受損。圓臺型燈桿的桿體橫截面是一個圓 ,圓的剛度比正 12邊形大很多 ,所以同樣截面積的圓臺型燈桿會比起正 12棱臺型燈桿的抗風荷載能力大。但也有人曾懷疑圓臺型的分節(jié)桿體在高桿燈 安裝的過程中 ,各個分節(jié)之間的對接碰焊在抗風荷載中的強度有問題。實際上 ,在各分節(jié)對接碰焊處的桿體內(nèi) ,內(nèi)襯小段鋼環(huán) ,使它同時焊連在碰焊縫內(nèi)側(cè)的桿體上 ,然后再加上電焊燒結(jié)的理化特點 ,碰焊縫處的剛度和強度會大大增強 [2]。 高桿燈的 外形形態(tài)各異， 它們的共同之處是燈盤碩大、燈桿細長。作用于桿體上的力有：冰雪載荷、風載荷、桿體自重、燈盤重量。其中，風載荷對桿體的撓度值和應(yīng)力所起的作用最大。風載荷是動力載荷，有不穩(wěn)定的、穩(wěn)定的兩種。穩(wěn)定的風可以視為靜力作用，而不穩(wěn)定的風除產(chǎn)生靜力作用外，還會產(chǎn)生動力作用。相對 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 3 于剛度大的結(jié) 構(gòu)，其實風的動力影響很小，只考慮風壓靜力作用即可，但對于高的燈桿結(jié)構(gòu)，由于其剛度小，自振頻率低，結(jié)構(gòu)容易在突發(fā)的陣風作用下產(chǎn)生彈性振動。對于高桿燈桿體來說，除了計算風的靜力作用之外，還需計算風振。燈盤的樣式對桿體的撓度、強度起著決定性的作用。高桿燈在風速很大的地區(qū)安裝時，應(yīng)盡量采用迎風面積小點的功能型燈盤，節(jié)省桿體的截面，從而減少桿體材料的用量，降低高桿燈生產(chǎn)成本。高桿燈的桿體比較常見的有三種主要型式：三角柱桿、梢桿、直桿。和三角柱桿相比較，三角柱桿的自重和剛度較大。梢桿和直桿的力學特性有所不同，對于具有相 同桿體壁厚和相同的底部直徑的梢桿和直桿，當它們處于各種風速下，在桿體中產(chǎn)生的桿體的最大撓度值和最大應(yīng)力不同。在它們的桿體中，為了減輕桿體的重量，一般是將桿體壁厚由根部到頂部逐步減小。因為桿體過長，在實際制造中，宜將桿體分成三段或四段來制造，現(xiàn)場安裝的時候再連接在一起。各段桿體壁厚不同，其分布按桿體的分段自然形成。在桿體的設(shè)計過程中，其強度不能滿足要求時，一般采用增加桿體壁厚或增大桿體根部直徑這兩種方法 [3]。 一般來說 ,在港口、高速公路的露天站口、在海島等氣候條件比較差以及自然地理環(huán)境復雜的地域 ,適合選用圓 臺形型焊接燈桿。在市內(nèi)廣場、大院之內(nèi)的高桿燈 ,由于場地風速較小 ,場地的四周建筑不方便整根燈桿同時起吊安裝 ,就可以采用正 12棱臺型套節(jié)燈桿。綜合高桿燈設(shè)計制作個例和高層建筑 (30米以上的高桿燈視為高層建筑處理 )的有關(guān)文獻資料 ,燈桿的造型以圓臺形為佳 ,也可以做成正十二棱臺形。正十二棱臺形的風阻系數(shù)為 臺形的桿體風阻系數(shù)為 桿體截面積一樣的正多邊棱臺形和圓臺形桿體相比 ,風阻系數(shù)大。但正十二棱臺形桿體適宜做成套接式 ,從而省去了各節(jié)燈桿之間的焊接 [4]。 總的來說，國內(nèi)高桿照明技術(shù)漸漸走向成熟 ,由于 目前國家并沒有頒布規(guī)范的高桿照明技術(shù)相關(guān)細節(jié) ,很多城市的高桿燈存在問題，比如燈盤的外觀與周圍環(huán)境極不相稱、不能滿足高桿照明的功能性和裝飾需求、光源燈具的配置不合理、燈桿內(nèi)外表面防腐處理工藝差、運行存在安全和質(zhì)量隱患 ,事故頻發(fā)等等。 基于這種情況，本課題以 25米的高桿路燈燈桿在風載、雪載和自身重力作用下進行有限元分析，并進行優(yōu)化設(shè)計。 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 4 桿路燈的國內(nèi)外研究狀況 高桿照明是指照明的裝置安裝高度大于 20 米的桿狀照明設(shè)備 ,近年來，由于它采用了新光源 ,以及在結(jié)構(gòu)上的改進 ,在國 外應(yīng)用正逐漸擴大 ,目前除了常用汽車停車場、廣場、公路交叉區(qū)作大面積照明外 ,也漸漸用于商業(yè)區(qū)街道、自來水廠、鐵路編組場等處。在國內(nèi) ,高桿照明雖然近年來、有采用 ,但例子少 ,偶而用作汽車停車場或者廣場體育場照明。 國外運用概況： 汽車停車場照明：邁阿密國際機場 1978 年客運量超過 160。萬人次，其汽車停車場可容納 47000輛汽車。該機場原設(shè)有 398 根普通高度的照明桿，每桿裝有 2只40。瓦水銀燈，其中停車場占 250根，這為數(shù)可觀的電桿不僅縮小停車場面積，影響美觀，而且照明質(zhì)量差，有陰影和暗區(qū)，維修困難，費用亦大。 1976 年后機場決定采用高桿照明 (圖 1桿高 100 英尺 )，間距 桿頂部安裝一組包括 6只 1000瓦金屬鹵化物燈的照明裝置，成功地對 155500米： (2000000英尺2)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了均勻照明，測得的最小地面照度達 這樣，機場及停車場的面貌煥然一新，行車也增加了安全性。 圖 1阿密國際機場停車場的高桿照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 公路交叉區(qū)照明：高桿照明有照明面積大、炫光低、照度均勻等優(yōu)點，在美國 25 米高桿路燈燈桿的力學計算與有限元分析 5 用作公路交叉區(qū)照明。俄亥俄州阿克郎商業(yè)區(qū)的公路交叉區(qū)，采用了每 桿帶有 4個1000瓦金屬鹵化物燈并且設(shè)有升降裝置的高桿照明，設(shè)計采用了對稱、不對稱的桿射器。 鐵路編組場照明：美國路易斯維爾樞紐站新建的自動化調(diào)車場采用了 36根高桿照明 ,桿高 ,桿距 ,每桿裝有 12只 1000 瓦的金屬鹵化物燈 ,調(diào)車場長 最寬處約 305米 ,高桿照明使緩行器區(qū)和調(diào)車場分別達到54勒 助高桿內(nèi)的提升纜索及其上的燈盤可降至地面進行清理和更換燈泡。美國南方鐵路系統(tǒng)斯彭塞編組場占地 采用了高桿照明與普通高度相結(jié)合 的照明方式 ,全部采用高壓鈉燈。設(shè)計中包括 18座高度為 其上采用 1000瓦照明裝置 ,此外再以編組場周圍電桿上的 250瓦路燈照明作為補充 ,獲得的全場平均水平照度為 11勒 ,平均照度與最小照度之比 4:l,炫光很低 ,電能相當節(jié)約 ,照明消耗功率低于 每平方米。該設(shè)計曾獲美國 1980年地區(qū)性照明設(shè)計獎和 日本京王線路線的調(diào)布車站南口廣場上，出現(xiàn)了一盞使用太陽能的路燈。這盞路燈是京都的一家專門廠商研制的。它的結(jié)構(gòu)是：在高驪的燈桿頂上裝兩塊聚熱板(5780它們白天吸收太陽能