玻璃鋼信號燈架的有限元析與應用
摘 要：現代交通工程中大量使用信號燈架，其質量，耐久性、造價工程建設的重要指標。本文介紹了復合材料性能，并用大型結構分析軟件ANSYS對一個玻璃鋼復合材料制作的紅綠燈架進行了有限元分析，與普通鋼材紅綠燈架進行了分析和比較。
傳統的交通信號燈架都是采用金屬材料，如型鋼等。但金屬材料存在自重大、易腐蝕等缺點，而復合材料則具有較高的比強度、比剛度及耐腐蝕等性能，因而在交通建設工程中得到廣泛的應用。
1 復合材料簡介
1.1 復合材料的組成
復合材料是由纖維加強材料做骨架，樹脂等做基體，加上填充物加劑組成的合成材料。纖維具有很高的剛度和抗拉強度，樹脂具有很高的抗壓強度和使纖維粘結成整體的性能，填充物的作用是可以減少收縮的影響，而填加劑則不但可以改善復合材料的力學和物理性能，還可以改善其工作性能。
1.2 復合材料的特點
(1)強度高，用S玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度高于高強鋼絲，用E玻璃纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度與高強鋼絲接近。
(2)耐腐蝕：玻璃纖維復合材料組成的結構有優良的耐化學腐蝕性，適應環境的能力較強。
(3)力學特性：應變關系直至破斷均呈線性。復合材料具有很高的比強度和比剛度。
(4)疲勞特性：金屬材料在交變應力作用下，疲勞極限僅靜荷強度的30~40%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內力再分配的可能性，復合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的70~80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
(5)密度輕：約為鋼的五分之一至四分之一。
(6)各向異性。
(7)良好的耐高溫性能，在高漸下的性能與預應力鋼絲相同。
(8)復合材料的組成材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可任意著色，從而達到結構型式和材料美學的高度統一。
2 復合材料的結構分析
2.1 分析程序ANSYS介紹
大型結構分析軟件ANSYS軟件是美國機械工程師協會(ASME)等專業技術協會認證的標準的分析軟件。該軟件可廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車交通、土木工程、造船等一般工業及科學研究領域。ANSYS軟件基于圖形用戶界面，智能化菜單引導、幫助等，為用戶提供了強大的實體建模及網格劃分工具，直接建模與實體建模相結合，可對各種物理場量進行分析。[-page-]
2.2 分析模型介紹
鑒于紅綠燈架的結構特性，單元類型選擇Beam188單元，分析模型采用直接建立單元，定義了三種截面，分別為立柱截面(內徑為12cm，外徑為15cm)，水平橫桿截面(內徑為8cm,外徑為10cm)和水平橫桿間支撐截面(內徑為6cm，外徑為8cm),模型見圖1。
2.3 荷載及邊界約束
荷載及邊界條件定義：紅綠燈架主要承受風力水平荷載和顯示牌與紅綠燈豎向荷載，分析模型所在地處長江三角洲，風力大而且頻繁，因此把風力作為控制荷載來分析結構。根據實際觀測，現在的信號燈架均在底部固結。所以結構分析時，在信號類與地面接觸處施加固定約束。
本次分析以標準來定義風荷載，0.45kN/M2，并在懸臂部分外邊的兩個接點施加等效的集中荷載(與信號牌的風荷載等效)。具體如下：
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材料定義；分別定義了玻璃鋼復合材料屬性和普通鋼材的材料屬性，以便比較玻璃鋼復合材料和鋼材之間力學特性。具體定義如下：
E表征材料的彈性模量；PRXY為材料的泊松比。
3 材料分析比較
3.1 變形分析
鋼材和玻璃鋼兩種材料在荷載作用下的位移分別見圖2所示。
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3.2 應力分析
鋼材和玻璃鋼兩種材料在荷載作用下的應力分別見圖3所示。
3.3 與鋼材的比較
鋼材料和玻璃鋼兩種材料的比較見表1。
4 結 語
對玻璃鋼材料制成的信號燈架的力學分析表明，其強度和變形能力能滿足結構的功能要求。其比強度遠優于鋼材。因其自重小，可以在大跨度結構中選擇使用，隨著材料科技的發展，由復合材料建成超大跨度橋梁，大跨度屋蓋將大量出現，其成本將大大降低。目前交通工程中如高速公司和橋梁上的防撞欄桿，城市道路中大量的路燈桿所使用的鋼材，如果以價格低廉的玻璃鋼代替，將大大降低交通工程的造價。對任何一種新材料的認識都是一個相當漫長的過程，這就需要我們的努力探索，對這種新生材料的應用才剛剛開始，盡管它有一些不足，但在交通建設工程中，玻璃鋼復合材料將得到越來越廣泛的應用。
傳統的交通信號燈架都是采用金屬材料，如型鋼等。但金屬材料存在自重大、易腐蝕等缺點，而復合材料則具有較高的比強度、比剛度及耐腐蝕等性能，因而在交通建設工程中得到廣泛的應用。
1 復合材料簡介
1.1 復合材料的組成
復合材料是由纖維加強材料做骨架，樹脂等做基體，加上填充物加劑組成的合成材料。纖維具有很高的剛度和抗拉強度，樹脂具有很高的抗壓強度和使纖維粘結成整體的性能，填充物的作用是可以減少收縮的影響，而填加劑則不但可以改善復合材料的力學和物理性能，還可以改善其工作性能。
1.2 復合材料的特點
(1)強度高，用S玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度高于高強鋼絲，用E玻璃纖維做成的復合材料筋束，其抗拉強度與高強鋼絲接近。
(2)耐腐蝕：玻璃纖維復合材料組成的結構有優良的耐化學腐蝕性，適應環境的能力較強。
(3)力學特性：應變關系直至破斷均呈線性。復合材料具有很高的比強度和比剛度。
(4)疲勞特性：金屬材料在交變應力作用下，疲勞極限僅靜荷強度的30~40%。由于纖維與基體復合可緩和裂紋擴展，以及存在纖維內力再分配的可能性，復合材料的疲勞極限較高，約為靜荷強度的70~80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
(5)密度輕：約為鋼的五分之一至四分之一。
(6)各向異性。
(7)良好的耐高溫性能，在高漸下的性能與預應力鋼絲相同。
(8)復合材料的組成材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可任意著色，從而達到結構型式和材料美學的高度統一。
2 復合材料的結構分析
2.1 分析程序ANSYS介紹
大型結構分析軟件ANSYS軟件是美國機械工程師協會(ASME)等專業技術協會認證的標準的分析軟件。該軟件可廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車交通、土木工程、造船等一般工業及科學研究領域。ANSYS軟件基于圖形用戶界面，智能化菜單引導、幫助等，為用戶提供了強大的實體建模及網格劃分工具，直接建模與實體建模相結合，可對各種物理場量進行分析。[-page-]
2.2 分析模型介紹
鑒于紅綠燈架的結構特性，單元類型選擇Beam188單元，分析模型采用直接建立單元，定義了三種截面，分別為立柱截面(內徑為12cm，外徑為15cm)，水平橫桿截面(內徑為8cm,外徑為10cm)和水平橫桿間支撐截面(內徑為6cm，外徑為8cm),模型見圖1。
2.3 荷載及邊界約束
荷載及邊界條件定義：紅綠燈架主要承受風力水平荷載和顯示牌與紅綠燈豎向荷載，分析模型所在地處長江三角洲，風力大而且頻繁，因此把風力作為控制荷載來分析結構。根據實際觀測，現在的信號燈架均在底部固結。所以結構分析時，在信號類與地面接觸處施加固定約束。
本次分析以標準來定義風荷載，0.45kN/M2，并在懸臂部分外邊的兩個接點施加等效的集中荷載(與信號牌的風荷載等效)。具體如下：
[-page-] 材料定義；分別定義了玻璃鋼復合材料屬性和普通鋼材的材料屬性，以便比較玻璃鋼復合材料和鋼材之間力學特性。具體定義如下：
E表征材料的彈性模量；PRXY為材料的泊松比。
3 材料分析比較
3.1 變形分析
鋼材和玻璃鋼兩種材料在荷載作用下的位移分別見圖2所示。
[-page-] 3.2 應力分析
鋼材和玻璃鋼兩種材料在荷載作用下的應力分別見圖3所示。
3.3 與鋼材的比較
鋼材料和玻璃鋼兩種材料的比較見表1。
4 結 語
對玻璃鋼材料制成的信號燈架的力學分析表明，其強度和變形能力能滿足結構的功能要求。其比強度遠優于鋼材。因其自重小，可以在大跨度結構中選擇使用，隨著材料科技的發展，由復合材料建成超大跨度橋梁，大跨度屋蓋將大量出現，其成本將大大降低。目前交通工程中如高速公司和橋梁上的防撞欄桿，城市道路中大量的路燈桿所使用的鋼材，如果以價格低廉的玻璃鋼代替，將大大降低交通工程的造價。對任何一種新材料的認識都是一個相當漫長的過程，這就需要我們的努力探索，對這種新生材料的應用才剛剛開始，盡管它有一些不足，但在交通建設工程中，玻璃鋼復合材料將得到越來越廣泛的應用。
