【53页】【毕业设计】25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析毕业设计说明书文档高清浏览

尤其是在些恶劣的天气中，有时可能会发生高杆灯的倒塌事故，倒塌的原因大部分是高杆灯灯杆的强度不够，很多厂家在进行高杆灯的设计时，并没有进行强度校核或者以低于级大台风的要求进行校核。

有关高杆灯灯杆结构强度的验算，我国目前还没有具体的详细规范。

目前，在国内安装使用的高杆灯杆体，常见的有正棱台型套接式和圆台型焊接式两种。

前者是在安装的现场分节起吊，逐步套接安装后者呢是在安装现场把多节圆台型的杆体当场焊接成型，然后整杆起吊安装。

这仅仅是表面上的区别。

从抗风荷载的本质特性和建筑力学来分析，两者抗风荷载的情况和静力学特征有着明显的差异。

正棱台灯杆体形风压系数是，而圆台型灯杆体形风压系数才换句话说，同高度横截积相等的两种样式的高杆灯，它们在同样的风速作用下，正棱台灯杆受到的风荷载作用力是圆台型灯杆的倍。

在这情况下，为了让这两种造型的灯杆有相同的抗风荷载能力和样的安全系数，那么正棱台型灯杆杆体的钢板壁厚相同高度处的截面积还有地脚紧固螺栓的直径等必须比圆台型杆体来得大，所以高杆灯整体耗材也大。

正棱台型灯杆虽然省去了安装现场焊接的麻烦，但是杆体间的多节套接，同时也增加了杆体的实际长度。

就比如的高杆灯，做成三节套节式杆体，实际增加的杆体长度为。

增加了成本的同时又增加了自重和杆根处的负载。

再者，正棱台套节式的灯杆各分套节成型，是预先裁切的钢板料在大功率的折弯机上弯折出条棱线后，再由自动焊接机焊接为正棱台型分节钢筒。

钢板在形变时，刚度必受受损。

圆台型灯杆的杆体横截面是个圆，圆的刚度比正边形大很多，所以同样截面积的圆台型灯杆会比起正棱台型灯杆的抗风荷载能力大。

但也有人曾怀疑圆台型的分节杆体在高杆灯安装的过程中，各个分节之间的对接碰焊在抗风荷载中的强度有问题。

实际上，在各分节对接碰焊处的杆体内，内衬小段钢环，使它同时焊连在碰焊缝内侧的杆体上，然后再加上电焊烧结的理化特点，碰焊缝处的刚度和强度会大大增强。

高杆灯的外形形态各异，它们的共同之处是灯盘硕大灯杆细长。

作用于杆体上的力有冰雪载荷风载荷杆体自重灯盘重量。

其中，风载荷对杆体的挠度值和应力所起的作用最大。

风载荷是动力载荷，有不稳定的稳定的两种。

稳定的风可以视为静力作用，而不稳定的风除产生静力作用外，还会产生动力作用。

相对陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析于刚度大的结构，其实风的动力影响很小，只考虑风压静力作用即可，但对于高的灯杆结构，由于其刚度小，自振频率低，结构容易在突发的阵风作用下产生弹性振动。

对于高杆灯杆体来说，除了计算风的静力作用之外，还需计算风振。

灯盘的样式对杆体的挠度强度起着决定性的作用。

高杆灯在风速很大的地区安装时，应尽量采用迎风面积小点的功能型灯盘，节省杆体的截面，从而减少杆体材料的用量，降低高杆灯生产成本。

高杆灯的杆体比较常见的有三种主要型式三角柱杆梢杆直杆。

和三角柱杆相比较，三角柱杆的自重和刚度较大。

梢杆和直杆的力学特性有所不同，对于具有相同杆体壁厚和相同的底部直径的梢杆和直杆，当它们处于各种风速下，在杆体中产生的杆体的最大挠度值和最大应力不同。

在它们的杆体中，为了减轻杆体的重量，般是将杆体壁厚由根部到顶部逐步减小。

因为杆体过长，在实际制造中，宜将杆体分成三段或四段来制造，现场安装的时候再连接在起。

各段杆体壁厚不同，其分布按杆体的分段自然形成。

在杆体的设计过程中，其强度不能满足要求时，般采用增加杆体壁厚或增大杆体根部直径这两种方法。

般来说，在港口高速公路的露天站口在海岛等气候条件比较差以及自然地理环境复杂的地域，适合选用圆台形型焊接灯杆。

在市内广场大院之内的高杆灯，由于场地风速较小，场地的四周建筑不方便整根灯杆同时起吊安装，就可以采用正棱台型套节灯杆。

综合高杆灯设计制作个例和高层建筑米以上的高杆灯视为高层建筑处理的有关文献资料，灯杆的造型以圆台形为佳，也可以做成正十二棱台形。

正十二棱台形的风阻系数为，圆台形的杆体风阻系数为，且杆体截面积样的正多边棱台形和圆台形杆体相比，风阻系数大。

但正十二棱台形杆体适宜做成套接式，从而省去了各节灯杆之间的焊接。

总的来说，国内高杆照明技术渐渐走向成熟，由于目前国家并没有颁布规范的高杆照明技术相关细节，很多城市的高杆灯存在问题，比如灯盘的外观与周围环境极不相称不能满足高杆照明的功能性和装饰需求光源灯具的配置不合理灯杆内外表面防腐处理工艺差运行存在安全和质量隐患，事故频发等等。

基于这种情况，本课题以软件为主要工具，对米的高杆路灯灯杆在风载雪载和自身重力作用下进行有限元分析，并进行优化设计。

陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有和杆体的变形位移都很小，由雪载引起灯杆的应力和位移基本可以忽略。

多重载荷下的有限元分析和优化设计有限元分析在风雪载荷下，路灯所承受的载荷有以下几部分组成自重力。

重力加速度取为。

风载。

对灯具及杆身表面受风的载荷按年遇高度风压载荷计算建筑结构荷载规范，灯具，考虑到实际情况，水平风载取为杆身。

灯具表面覆盖的积雪对杆身的载荷。

对灯具表面覆盖的积雪载荷按年遇高度雪压载荷计算建筑结构荷载规范，陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析雪，考虑到实际情况，灯具表面覆雪载荷取为。

图为风雪载荷下高杆灯的应力位移场分布云图。

图高杆灯整体应力位移云图图节灯杆应力云图陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析图节灯杆位移云图图法兰应力云图陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析图垫片应力云图图地基应力云图分析发现在风和雪共同作用下的高杆灯的最大应力出现在螺栓处为，陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析而最大位移则出现在第节灯杆处为，地基和杆身大部分地方的应力和变形较小，基本可以忽略。

由此可知高杆灯在自重风载情况下应力和位移较大，雪载情况下应力及位移较小，基本可以忽略。

结论分析下面给出各种载荷下各部件的应力对比表各部件应力对比风载雪载风载和雪载第节灯杆第二节灯杆第三节灯杆法兰垫片灯具各种载荷下各部件的位移对比表各部件位移对比风载雪载风载和雪载第节灯杆第二节灯杆第三节灯杆法兰垫片灯具从应力对比可以看出，高灯杆在种不同载荷下作用时，整体的最大应力主要分布在垫片以及各节灯杆的根部位置。

风载时整体最大应力为，雪载时应力部件位移部件陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析整体最大应力为，风和雪共同作用时整体最大应力为。

从图中可以看出，除了局部存在着应力集中应力值较大外，杆身绝大部分地方的应力值较小，应力值在到之间，有较大的优化空间。

材料强度及许用应力是根据不同材料使用场合来规定的。

对于钢材料许用应力可取，即极限应力为，安全系数取，则许用应力为。

在实际工作过程中，该种尺寸杆身的最大应力值相对于正常使用来说还远小于屈服强度，因此在优化过程中可以考虑通过减少高杆灯部分零部件的厚度来达到节省材料及轻量化的目的。

从图中位移场可以看出，不同载荷下位移值都有所不同，风载时整体最大位移为，雪载时整体最大位移为，风和雪共同作用时整体最大位移为。

根据结果可以看出，除了雪载，各种载荷中各节杆身及灯具的变形量都较大，其他地方变形量都比较小，变形的地方符合实际情况，结果比较合理想。

结构优化根据对高杆灯的结构分析可知，作为主要的承载部件，三节杆身的强度刚度影响着高杆灯的使用寿命。

为了在保证结构安全实现结构轻量化的目的，可以加大或者减小些部位的厚度来改变高杆灯的强度和刚度，在此，完成对高杆灯的结构优化。

对高杆灯的结构优化应从以下几方面着手将三节灯杆的壁厚分别由调整到。

将法兰孔及螺栓尺寸由调整到。

将改进后的高杆灯导入分析得到高杆灯各部分的应力位移云图，如下所示。

陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析图高杆灯整体应力云图图高杆灯整体位移云图陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析图优化前后法兰应力对比图优化前后地基应力对比图优化前后垫片应力对比陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析图优化前后第节杆身应力对比图优化前后第二节杆身应力对比图优化前后第三节杆身应力对比由应力和位移云图及各项数据可得到如表所示的优化前后对比。

陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析表优化前后各项对比优化前优化后最大应力最大位移第节灯杆第二节灯杆第三节灯杆从表中可以看出，优化后高杆灯的整体应力较优化之前有所提高，但其值仍在材料的屈服范围之内位移最大值由上升到。

优化前第节杆身的质量为，优化后为，下降第二节杆身的质量为，优化后为，下降第三节杆身的质量为，优化后为，下降。

在不影响高杆灯结构安全的同时，使其质量得到了较大幅度的下降，达到设计要求，同时对支架的轻量化优化是可行的。

优化建议结合高杆灯不同工况以及改进前后不同壁厚下的有限元分析，提出以下几点建议可将三节灯杆的壁厚分别由调整到。

可将法兰孔及螺栓尺寸由调整到。

螺栓尺寸应根据高杆灯使用场所灵活调整，但不得低于的下限。

局部焊接位置必须保证焊接质量。

项项目部件陈阳米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析结论本文是在大量的实验和理论成果的基础上，初步分析了高杆灯的发展历程和前景，并初步介绍了高杆灯的设计和变形强度的计算。

接着借助有限元分析软件对米高杆灯在不同载荷下的变形和强度分析，找到高杆灯最薄弱和可以优化的地方，从而降低成本，对得到最优设计的方案的研究和探讨。

几个月的毕业设计过程中，学会运用有限元软件建立模型，对风雪以及风加雪载荷作用下不同条件的米高杆灯进行模拟，以用来研究不同载荷下高杆灯的变形和强度。

本文有限元分析，获得了各种载荷作用下高杆灯的整体变形和位移云图各杆体的应力和位移云图法兰和垫片等部件的应力云图，找出应力最大和强度不满足的点进行加强。

最后，经过分析之后得出优化设计方案，将各节灯杆壁厚减小，以及将法兰孔及螺栓尺寸由调整到，并把优化的模型再次导入进行分