黔西南8m铝合金路灯灯杆的有限元分析与改进设计

发布日期：2023-06-22 作者：互联网点击：6966

铝合金灯杆强度和刚度均低于普通铁灯杆，容易损坏灯杆结构。利用ANSYS有限元软件对8m铝合金路灯灯杆结构进行了计算分析 M路灯杆风荷载和自重作用下的应力和变形。模拟风荷载作用下，对灯杆结构进行了应力和变形试验，分析灯杆结构的强度和刚度是否满足设计要求。此基础上，通过调整灯杆壁厚和较低外径进行优化设计，以降低灯杆的重量和成本。
目前，铁杆我国户外照明市场中占了绝大多数。只有少数发达城市使用铝合金电杆，铝合金杆的安装只供观赏，铝合金电杆的市场意识也受到限制。不过，欧盟已强制使用铝合金灯杆进行道路照明，主要是出于安全、环保等考虑。
铝合金灯杆具有普通灯杆不具备的重量轻、耐腐蚀性好、安装维护方便、回收率100%等优点，符合绿城[1-2]的主题，但强度低于普通铁材料，铝合金灯杆更容易相同载荷下变形。本文采用有限元方法对铝合金灯杆结构件的应力进行了分析和校核。此基础上，对灯杆进行了合理的改进设计，以提高灯杆的安全性能，节约材料[3-6]。
1灯柱有限元分析
1.1建立有限元模型
用SolidWorks建立路灯杆的三维模型，并导入工作台有限元软件进行分析。路灯杆的几何模型如图1所示。
建立有限元模型时，灯杆接地法兰固定约束。灯杆采用T6铝合金制成，其材料性能参数见表1。
1.2风荷载作用下路灯杆的有限元分析根据m高度风压设计要求，确定灯杆上施加的风荷载，并将上述风荷载施加到灯杆的相应位置。考虑灯杆各部分重力的影响，所有材料的重力加速度设为9.8 M/S2通过有限元计算得到灯杆风荷载和自重荷载作用下的应力和位移云图，如图2和图3所示。
<中心，灯杆应力计算方法为
<中心当忽略应力集中时，路灯的大应力为93.6MPa 铝合金灯杆材料为6063t6，实际工业生产中铝合金的允许应力为85 因此灯杆的应力不满足强度要求。灯杆的大排量为灯柱顶部431.41mm。路灯允许偏转为总长度的5%，即400 因此，有限元法计算的挠度计算结果不能满足设计要求。

图3灯杆整体位移云图
2灯杆试验试验

验证有限元模型的正确性，灯杆底部和悬臂臂根部设置a、B、C 三个测量点分别用电阻应变计粘贴，灯杆水平放置悬臂式。用静态应变仪测量各点的应变，并用静应变计测量顶位移。消除灯杆水平放置后，消除重力影响，得到各测点的应力和位移试验结果。有限元计算结果与试验结果的比较见表2。
有限元计算结果与表2中的试验结果比较表2
表2中的应力比较误差5%以内，灯杆试验过程中有明显的塑性变形，试验得到的位移结果也比较大大的。因此，有限元计算结果基本正确，可用于改进设计。
3改进设计
结合有限元分析和试验试验结果，提出了以下优化方案：
方案1：灯杆壁厚从3mm优化为3.5mm。
方案2：灯杆下部外径优化180mm～200mm，转角杆尺寸由60mm×90mm×4mm优化为60mm×90mm×5 法兰尺寸从320 mm×320 mm×16mm优化为340mm×340mm×16mm。
再次使用有限元软件计算修正模型。

中各方案的有限元计算结果从表3可以看出，方案一和方案二均满足设计要求。第二种方案中，应力和位移相对减少，所用材料较少，方案二的改进效果明显。
4结论
至8 通过对M铝合金灯杆风荷载作用下的有限元分析，得到灯杆的应力和位移，并通过试验验证了有限元模型的正确性。此基础上，进行了路灯杆的优化设计，提出了两种优化方案，两者均取得了良好的效果。考虑到材料的经济使用，建议采用增加灯柱下部外径的方案。

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