LGJ150/25型鋼芯鋁絞線股線間接觸有限元分析

趙新澤，周 權(quán)

ZHAO Xin-ze,ZHOU Quan

（三峽大學 機械與材料學院，宜昌 443002）

0 引言

架空輸電導(dǎo)線作為輸送電能的主要載體，其在戶外風載條件下，將產(chǎn)生微風振動。導(dǎo)線的微風振動常常引起的線股間的微動磨損[1]和微動疲勞[2]，這些微動損傷將導(dǎo)致線股的疲勞斷裂[3]。本文將LGJ150/25型鋼芯鋁絞線絞線間微動接觸簡化為兩根鋁線股之間的微動接觸形式，研究了在考慮導(dǎo)線塑性行為條件下，法向載荷與軸向載荷對接觸區(qū)域應(yīng)力分布的影響，由這些分布規(guī)律能夠反映出導(dǎo)線的一些磨損屈服特性。

1 有限元模型

圖1 鋁線應(yīng)力-應(yīng)變曲線

LGJ150/25型鋼芯鋁絞線中鋁線股的直徑為2.7mm，夾角為23.76°；施加的到線股上的法向載荷與軸向載荷分別取：2.6MPa和12.62MPa；摩擦系數(shù)取0.2；材料的彈性模量與泊松比分別為59GPa和0.3。鋁線股的材料特性按照圖1所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[4]設(shè)置。

采用ABAQUS有限元軟件進行建模與分析。首先建立導(dǎo)線接觸模型，為了提高計算速率，只建立導(dǎo)線的1/2模型，導(dǎo)線長度為4mm。采用的網(wǎng)格單元為C3D8R型四面體單元。加載分為兩步：首先在上導(dǎo)線上表面施加法向載荷，然后在導(dǎo)線軸端施加軸向載荷。加載及邊界條件與有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 線股有限元接觸模型

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸區(qū)域應(yīng)力云圖分布情況

圖3所示為有限元求解后接觸區(qū)域的應(yīng)力云圖分布。由接觸壓應(yīng)力分布云圖可看出，接觸區(qū)域形狀為一橢圓形狀，且沿接觸中心對稱分布。導(dǎo)線接觸區(qū)域的Von Mise應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接觸邊緣，大小為55.58MPa，材料已經(jīng)發(fā)生了塑性屈服如圖3(a)所示。接觸壓應(yīng)力的最大值為-124.3MPa，同樣分布在接觸邊緣如圖3(b)所示；表面上的剪應(yīng)力呈反對稱分布，最大值為23.05MPa，且也出現(xiàn)在接觸邊緣如圖3(c)所示。因此，接觸邊緣的應(yīng)力集中將導(dǎo)致此區(qū)域產(chǎn)生較大塑性變形和萌生磨損裂紋。

圖3 接觸區(qū)域應(yīng)力分布云圖

2.2 法向加載歷程對接觸表面應(yīng)力分布的影響

圖4所示為接觸區(qū)域應(yīng)力隨法向加載歷程的分布曲線，定義沿接觸橢圓長軸方向為路徑a方向，則由圖4(a)可以觀察到：在第1個載荷增量步中，路徑a上的節(jié)點Von Mise應(yīng)力都在初始屈服應(yīng)力值30MPa以下，說明還沒有發(fā)生塑性屈服；在第10個載荷增量步時，靠近接觸中心的節(jié)點Von Mise應(yīng)力值達到42.26MPa，已經(jīng)開始屈服，并且進入材料強化階段，在此階段導(dǎo)線產(chǎn)生塑性變形所需的應(yīng)力值增大。從第20個載荷增量步到最后1個載荷增量步，接觸中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力值降低到33.21MPa，而接觸邊緣上節(jié)點的Von Mise應(yīng)力增加到51.15MPa。這是因為隨著載荷增量步的增加，表面的應(yīng)力也逐漸增大，并且向接觸邊緣擴張。因此，中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力比接觸邊緣的要小。圖4(b)中的接觸壓應(yīng)力分布與Von Mise應(yīng)力分布類似，且接觸區(qū)域逐漸變大。接觸剪應(yīng)力分布如圖圖4(c)所示，同樣，隨著載荷增量步的增加接觸剪應(yīng)力向邊緣逐漸擴展，剪應(yīng)力呈反對稱分布且最大值位于接觸邊緣。因此，接觸邊緣區(qū)域是裂紋產(chǎn)生的主要區(qū)域。

圖4 接觸區(qū)域應(yīng)力隨法向加載歷程的分布曲線圖

2.3 軸向載荷對接觸表面應(yīng)力的影響

保持法向載荷不變，在導(dǎo)線端面施加軸向載荷。圖5所示為施加軸向載荷后與僅施加了法向載荷時的接觸面沿路徑a上的節(jié)點應(yīng)力分布曲線圖。

圖5 不同載荷步下接觸區(qū)應(yīng)力分布曲線圖

由圖5(a)可以觀察到，施加軸向載荷后，接觸節(jié)點上的Von Mise應(yīng)力有所增大，最大值為54MPa，且應(yīng)力分布曲線與法向加載條件下的應(yīng)力曲線相似，靠近接觸邊緣的Von Mise應(yīng)力值比接觸中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力值大。由于軸向載荷的拉伸作用，接觸區(qū)域逐漸擴展，接觸面上的接觸壓應(yīng)力降低，如圖5(b)所示。在軸向載荷作用下，接觸區(qū)域上的剪應(yīng)力相應(yīng)增加，應(yīng)力分布曲線也呈反對稱分布，如圖5(c)所示。軸向載荷一方面降低了接觸壓應(yīng)力，使微動磨損更容易產(chǎn)生。另一方面增大了接觸區(qū)的剪應(yīng)力，加速了裂紋的萌生與擴展。

2.4 接觸表面內(nèi)部應(yīng)力分布

圖6 導(dǎo)線接觸表面內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖6(a)和圖6(b)分別為加載后沿接觸中心點垂直向下的節(jié)點上的Von Mise應(yīng)力分布曲線圖與接觸表面內(nèi)部的Von Mise應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看到，Von Mise應(yīng)力由表面向內(nèi)部呈輻射狀，并且在離表面0.1mm處達到最大值，然后再減小。由此可見，在導(dǎo)線接觸面的內(nèi)部更容易產(chǎn)生Ⅰ型裂紋[5]。圖6(c)所示為接觸表面內(nèi)部的接觸剪應(yīng)力分布云圖，可以觀察到接觸剪應(yīng)力主要分布在接觸邊緣內(nèi)部呈45°角的區(qū)域，應(yīng)力值向內(nèi)部逐漸減小，此應(yīng)力分布狀態(tài)很好的解釋了Ⅱ型裂紋的產(chǎn)生原因[5]。

3 結(jié)論

本文以LGJ150/25型鋼芯鋁絞線為研究對象，用ABAQUS有限元軟件對絞線中鋁線股間的接觸模型進行了有限元分析，得到以下結(jié)論：

1）法向加載的初始階段，接觸區(qū)沒有發(fā)生塑性屈服現(xiàn)象， Von Mise 應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力由中心向邊緣遞減。隨著加載的進行，接觸應(yīng)力向邊緣擴展，接觸區(qū)材料逐漸發(fā)生塑性屈服，并進入材料強化階段，接觸邊緣的Von Mise 應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力逐漸增加，而在中心區(qū)域有所降低；接觸剪應(yīng)力始終呈反對稱分布并持續(xù)增加，分布曲線逐漸向接觸邊緣擴展。

2）軸向載荷使Von Mise 應(yīng)力與接觸剪應(yīng)力增加，而使接觸壓應(yīng)力減小，分布規(guī)律與法向加載條件下的情況相似，接觸邊緣的應(yīng)力值最大。接觸邊緣區(qū)域是產(chǎn)生嚴重磨損以及裂紋萌生與擴展的關(guān)鍵位置。

3）導(dǎo)線內(nèi)部較大的Von Mise 應(yīng)力與接觸剪應(yīng)力以及其分布規(guī)律是Ⅰ、Ⅱ型裂紋產(chǎn)生的主要原因。

[1] 趙新澤,勞海軍,高偉.鋼芯鋁絞線絞線間接觸與磨損分析[J].潤滑與密封,2009,34(11)：48-52.

[2] 陳浩賓.高壓輸電導(dǎo)線微動損傷及微動疲勞壽命預(yù)測[D].武漢：華中科技大學,2008.

[3] C.R.F.Azevedo,A.M.D.Henriques.Fretting fatigue in overhead conductors：Rig design and failure analysis of a Grosbeak aluminium cable steel[J].Engineering Failure Analysis.2009.(16)：136-151.

[4] Boyer,H.F.Atlas of Stress-Strain Curves[S].ASM International.Metals Park,Ohio,1987.

[5] 李英平.微動損傷機理的研究.淮海工學院學報,2001.10(3)：9-11.