LGJ150/25型鋼芯鋁絞線股線間接觸有限元分析

趙新澤，周 權

ZHAO Xin-ze,ZHOU Quan

（三峽大學 機械與材料學院，宜昌 443002）

0 引言

架空輸電導線作為輸送電能的主要載體，其在戶外風載條件下，將產生微風振動。導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，研究了在考慮導線塑性行為條件下，法向載荷與軸向載荷對接觸區域應力分布的影響，由這些分布規律能夠反映出導線的一些磨損屈服特性。

1 有限元模型

圖1 鋁線應力-應變曲線

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所示的應力-應變曲線[4]設置。

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

圖2 線股有限元接觸模型

2 結果與分析

2.1 接觸區域應力云圖分布情況

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

圖3 接觸區域應力分布云圖

2.2 法向加載歷程對接觸表面應力分布的影響

圖4所示為接觸區域應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上的節點Von Mise應力都在初始屈服應力值30MPa以下，說明還沒有發生塑性屈服；在第10個載荷增量步時，靠近接觸中心的節點Von Mise應力值達到42.26MPa，已經開始屈服，并且進入材料強化階段，在此階段導線產生塑性變形所需的應力值增大。從第20個載荷增量步到最后1個載荷增量步，接觸中心區域的Von Mise應力值降低到33.21MPa，而接觸邊緣上節點的Von Mise應力增加到51.15MPa。這是因為隨著載荷增量步的增加，表面的應力也逐漸增大，并且向接觸邊緣擴張。因此，中心區域的Von Mise應力比接觸邊緣的要小。圖4(b)中的接觸壓應力分布與Von Mise應力分布類似，且接觸區域逐漸變大。接觸剪應力分布如圖圖4(c)所示，同樣，隨著載荷增量步的增加接觸剪應力向邊緣逐漸擴展，剪應力呈反對稱分布且最大值位于接觸邊緣。因此，接觸邊緣區域是裂紋產生的主要區域。

圖4 接觸區域應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力的影響

保持法向載荷不變，在導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上的節點應力分布曲線圖。

圖5 不同載荷步下接觸區應力分布曲線圖

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

2.4 接觸表面內部應力分布

圖6 導線接觸表面內部應力分布圖

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點上的Von Mise應力分布曲線圖與接觸表面內部的Von Mise應力分布云圖。從圖中可以看到，Von Mise應力由表面向內部呈輻射狀，并且在離表面0.1mm處達到最大值，然后再減小。由此可見，在導線接觸面的內部更容易產生Ⅰ型裂紋[5]。圖6(c)所示為接觸表面內部的接觸剪應力分布云圖，可以觀察到接觸剪應力主要分布在接觸邊緣內部呈45°角的區域，應力值向內部逐漸減小，此應力分布狀態很好的解釋了Ⅱ型裂紋的產生原因[5]。

3 結論

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，得到以下結論：

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

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

3）導線內部較大的Von Mise 應力與接觸剪應力以及其分布規律是Ⅰ、Ⅱ型裂紋產生的主要原因。

[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.高壓輸電導線微動損傷及微動疲勞壽命預測[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.