電力金具數值模擬分析中單元劃分的影響

鄭欣,楊迎春

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

電力金具數值模擬分析中單元劃分的影響

鄭欣,楊迎春

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

介紹通過有限元分析方法模擬機械部件在運行狀態下的應力數值,用此方法模擬金具工作狀態時應力分布,有助于金具失效分析工作。列舉了兩個金具的失效實例,討論了平面單元和實體單元運用于金具有限元分析的選擇標準。

電力金具;失效分析;數值模擬

1 前言

電力金具作為輸電線路重要結構連接件,在各個等級輸電線路中負責導地線與桿塔、導線與導線、導線與絕緣子等部件之間的連接。各類金具廣泛采用螺栓連接、壓接等各種連接形式,外形復雜,安裝位置及狀態靈活多變,受力狀態復雜。在金具的受力分析過程中,有限元方法可以有效的對金具工作狀態的應力分布進行數值模擬[1-4]。各類金具中,掛環、連板等大多數金具屬于簡單的實體結構,其分析方法比較簡單,而各種螺栓型耐張線夾和船型線夾等均屬于幾何結構復雜,具有大面積復雜曲面結構的類型。該類型金具幾何形狀比較復雜,面積與壁厚比較大。對這類金具進行應力數值模擬分析時,根據結構特點選擇適當的有限元單元劃分方式,可以有效的提高分析效率和數值模擬精度。以下列舉了不同結構的金具失效案例以及有限元方法在案例分析中應用,提出了有限元分析方法應用于不同結構金具時所需注意的因素。

2 失效案例

1)某500 kV線路的OPGW光纖使用鋁制船型線夾吊掛,進入覆冰季節后該船型線夾多次出現斷裂失效。對失效線夾樣品進行失效分析,金具表面未見顯著損傷和塑性變形。對金具材質的分析表明材質符合標準要求,在其斷裂截面上未找到導致失效的缺陷。

2)某新建10 kV線路螺栓型耐張線夾在線路投運后多次發生斷裂,斷裂線夾表面未見機械損傷,未見塑性變形,斷面位置未見可導致線夾斷裂的缺陷。

對以上兩案例中涉及的線夾進行有限元建模分析,還原其工作中的受力狀態。有限元模型建模及分析均使用有限元分析軟件Algor進行。

3 有限元分析

由于失效線夾缺乏相應的外形圖紙材料,所有線夾的外形幾何參數均通過手工測繪獲得。依照測繪數據,使用Algor軟件繪制相應的CAD模型。生成的模型見圖2。生成的模型在Algor軟件中進行網格劃分,文中所涉及的分析中,單元劃分密度均設定為60%。

圖1 CAD模型

對實例一模型進行有限元網格劃分。船型線夾整體為均勻的鑄造鋁薄壁,整個線夾厚度約為5 mm。其外形為多個復雜曲面連續構成。首次分析時采取塊體單元進行網格劃分,基本單元采用六面體單元。模型被劃分為16 946個單元。根據金具實際運行情況,對模型施加限制條件與模擬載荷后進行分析,應力分布結果如圖2所示。圖中顏色越偏向紅色,則該區域的應力值越大。其應力集中位置與線夾實際斷裂失效位置差異較大。

圖2 塊體單元應力分析結果

根據線夾為基本均勻的薄壁結構的特點,該模型也適用于采用平面單元作為分析單元。在采用平面單元的情況下,模型在厚度方向上的應力分布將被忽略。考慮到線夾具有較大的面積/厚度比,假設應該是可以接受。提取模型中位面作為平面單元劃分基準。完成劃分后,共劃分9 973個平面單元網格,由于忽略了模型厚度,參與運算的單元數量遠低于采用塊體單元進行分析。施加限制條件與模擬載荷后進行有限元分析,分析結果見圖3。

圖3 平面單元應力分析結果

與圖2對比,平面單元分析結果更好的符合了線夾實際斷裂情況,在實例一的分析中,平面單元能夠很好的適應復雜連續曲面的分析需要。同時,由于平面單元的劃分數量遠小于塊體單元,且單個平面單元的計算量小于塊體單元,采用平面單元進行分析在分析效率和結果精度上都具有優勢。

實例二所述螺栓型線夾同樣具有大面積薄壁特征,其厚度及整體外形尺寸與案例一相近。同樣采用案例一所用的兩種單元劃分方法進行分析。分析結果見圖4及圖5,其中圖4采用六面體塊體單元作為基本單元進行分析,劃分為6 052個單元,圖5采用平面單元分析,劃分為6 430個單元。對比分析結果,平面單元的分析結果明顯與實際案例斷裂位置不同,而采用六面體單元進行分析則很好的反映了實際斷裂位置的應力集中情況。

圖4 塊體單元分析結果

圖5 平面單元分析結果

對于實例一與實例二在分析過程中出現的差別,主要原因在于兩種線夾外形結構上的差別。雖然二者均以厚度均勻的大面積薄壁結構作為主體,但對于螺栓型線夾,其螺栓安裝孔位置厚度不均勻性大,表面結構不連續。工作過程中,此部位受到螺栓緊固力和導線摩擦力的同時作用。如對其采用平面單元分析,不能反映該位置的幾何結構特征,分析結果將出現較大偏差。案例一整體為較為平滑的連續曲面,因此采用平面單元可以很好的反應其結構幾何特征,分析也可以取得較好的效果。

4 結束語

通過對兩種具有大面積薄壁結構的線夾采用兩種單元劃分進行有限元分析,比較了不同單元劃分方法對分析結果和效率的影響。分析結果表面,船型線夾等表面連續性好的薄壁結構金具,采用平面單元即可較好的進行分析,表面的復雜程度不影響平面單元的使用。而對于螺栓型線夾,由于螺栓安裝孔等位置表面連續性較差,雖然整體厚度均勻且同樣具備大面積的薄壁結構,依然不適合采用平面單元進行分析。對于薄壁金具而言,連續的復雜表面結構并不妨礙采用平面單元分析。金具表面結構的不連續性,例如突出的螺栓安裝孔位等,才是有限元分析時選擇單元形式應考慮的決定因素。

[1] 王習武,薛志方.基于有限元法的懸垂線夾力學性能分析[J].水電能源科學,2011,11.

[2] 鞠彥忠,蔣菲,王德弘,等.基于接觸非線性的金具安全銷極限承載力分析 [J].水電能源科學,2012,7.

[3] 孔偉,成印健,胡坤岐,等.500 kV輸電線路新型防振金具 [J].科技導報,2012,30.

[4] 張麗,高強,任超,等.大跨越輸電塔絕緣子金具的靜風載荷分析 [J].蘇州大學學報 (工科版),2009,06.

近日,日本開發出一種新的無線傳感器網絡系統。該系統包含了振動發電設備與無線傳感器,不需要電池與電線,能夠將室內人的走動以及設備機器所產生的環境振動轉換成電力。

目前,該公司的技術研究所中使用了該系統,進行了辦公空間溫濕度調節實驗。該實驗利用空調導管的微振動來調節辦公空間的溫度與濕度,證實了該系統的實際運轉效果。下一步,竹中工務店將與設備制造商協商業務合作問題,致力于將該技術與系統進行商業推廣。

這種系統不需要布線或者使用電池--這一直是引入和操作多個傳感器網絡系統的使用障礙--而且可以容易地構造系統。此外,通過由該系統構建的系統監控,可以實現環境的可視化。例如,在示范試驗的溫濕度監測的辦公空間里,它可以反映出每個辦公室空調運轉的溫度和濕度等數據,每個辦公室都可以連接到建筑物被統一運作,以確保舒適度和滿意度,并可以節約能源。

目前,該技術獲得了日本工程協會研究所的 “工程師引文鼓勵特別獎”。它不僅可以用在民用建筑領域,如監測建筑物和基礎設施等,在防災、防盜、運輸和分銷領域也有應用的潛在性和通用性。(信息來源：北極星電力網新聞中心)

Effect of Mesh Method on Strain Numerical Simulation for Electric Fittings

ZHENG Xin,YANG Yingchun
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

electric fittings are applied as connectors between structure parts.Caused by its complicate contour,it is difficult to analyze the strain situation while it happen failure or accident.Finite element analysis method is effective in simulating the strain field of mechanical parts.It is helpful to failure analysis with application of finite element analysis in electric fittings.In this paper,the criterion of mesh is discussed by analyzing two examples of failure electric fittings.

electric fittings;failure analysis;numerical simulation

TM76

B

1006-7345(2014)01-0071-03

2013-10-21

鄭欣 (1984),男,工程師,云南電網電力研究院,主要從事電網、電廠重要部件失效分析工作 (e-mail)ssbn2000@sina.com。

楊迎春 (1976),男,高級工程師,云南電網公司電力研究院,主要從事電網、電廠重要部件失效分析工作。