基于ANSYS的復合材料電纜支架的仿真分析

基于ANSYS的復合材料電纜支架的仿真分析

范龍

(河北省送變電公司，石家莊050000)

摘要：介紹ANSYS軟件及復合材料有限元分析的理論基礎，對復合材料電纜支架進行有限元分析和仿真分析，結果表明復合材料的電纜支架在強度、剛度、安全性等方面，均優于金屬材質的電纜支架。提出復合材料電纜支架設計的合理化建議，為復合材料電纜支架的設計生產提供技術參考。

關鍵詞：ANSYS；復合材料；電纜支架；有限元仿真

收稿日期：2014-09-15

作者簡介：范龍(1982-)，男，工程師，主要從事變電一次施工管理工作。

中圖分類號：TM247

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2015)01-0018-05

Abstract:The theoretical basis of the composite finite element analysis is introduced, and the composite cable support is simulated by ANSYS. The results show that the composite cable is superior to metal cable bracket in strength, stiffness, safety and the like. Some proposals are put forward for designing rationalization the cable support, and can provide technical reference for the composite cable bracket production.

Simulated Analysis of Composite Cable Support Based on ANSYS

Fan Long

(Hebei Electric power Transmission&Transformation Company，Shijiazhuang 050000，China)

Key words:ANSYS;composite; cable support; finite element simulation

在電力行業中，常用的電纜支架材質為球墨鑄鐵的鑄造支架，它是鋪設線路時電纜配套安裝的重要組件，其作用是把電纜固定于巷道壁上，應用范圍很廣，通常應用于變電站電纜層、電纜溝、電纜隧道以及其他電纜構筑物中。由于鋼結構電纜支架本身性能的限制，在使用中一直存在著較多的缺點，比如易腐蝕性，設備的維護費用高，使用壽命短等，因此研制質量密度低、強度高、不銹蝕的新型防火高分子材料的電纜支架，來代替傳統材料制造的電纜支架是電纜支架未來發展的趨勢[1]。高分子復合材料本身具有優良的機力學、耐熱和耐高溫等性能，特別是樹脂基復合材料，本身的耐腐蝕性要遠遠高于金屬材料。復合材料是非鐵磁性材料，應用于輸電線路中，可以有效避免渦流損耗，具有明顯節能降耗效果。基于復合材料的特性，把復合材料應用于電纜支架中，并研究其結構特性，已經成為電力電纜行業迫切發展的方向之一[2]，進一步分析復合材料電纜支架對結構性能的影響，對本行業的實際應用具有十分重要的意義。

1ANSYS軟件介紹

ANSYS 作為全球領先的CAE分析軟件，幾乎能夠對所有的工程問題進行模擬分析。ANSYS 融結構、熱、流體、電磁、聲學等分析功能于一體，可以在同一模型上進行各式各樣的耦合計算。ANSYS 能夠與多數 CAD 軟件接口，實現數據共享與交換，如 pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、UG、AutoCAD、Solidworks 等，這樣就使得 ANSYS 能夠滿足不同層次的分析要求。

ANSYS 作為通用的有限元分析程序，具有先進的求解器，能夠在 PC 機以及工作站運行，同時它具備專門的復合材料分析單元，故選擇 ANSYS 為復合材料結構的有限元計算軟件。

2復合材料有限元分析的理論基礎

復合材料是由多層材料層合而成，一般表現為層合板結構，材料的布置方式不同，整體表現出明顯的各向異性[3]。復合材料的有限元分析中，首先要掌握材質的力學分析理論及結構分析理論。在具體問題中，無論是結構的剛度、強度或者振動分析，涉及的因素很多，問題較復雜，通常采用有限元分析法來實現其解析。復合材料的有限元分析相對于各向同性的金屬材質結構相比，分析過程將有所不同，主要反映在單元離散方法和彈性常數矩陣以及材料的屬性。

復合材料的基體一般都是各向同性的，復合材料的非線性彈性主要由纖維引起的。各向同性材料的非線性彈性的應力應變關系和各向異性彈塑性體在主動塑性變形階段的應力應變關系相同[3-4]。

復合材料中層合板的結構示意見圖1，該層合板是由2層以上的單層板粘合在一起的結構體，各層的材料特性、厚度以及鋪設方向等可以各不相同[5]。復合材料層合板的優點之一就是可以根據需要設定以上參數，使構件達到最佳承載形式。由于層數的增多以及特性的改變，致使復合材料的層合理論變得更為復雜，主要表現有兩方面，其一是由于不同物理性質和幾何尺寸單層板組成的層合板具有一般的各項異性；另一方面，這種層合板在厚度方向上具有宏觀的非均勻性和力學的不連續性。

圖1　層合板的結構示意

在圖1中，層合板包括2層疊加的單層板，形成3個表面，即上表面、中面和下表面，其中在中面上建立坐標系，用于推導內力和應變關系式[6]。首先應變與位移的關系式可表示為：

(1)

(2)

對于層合板，假定為殼體類板元，可以不考慮其厚度，因此

(3)

通過在x和y方向上對z進行積分，獲得初始值后，并帶入式(1)中，可得到應變的表達式為：

(4)

(5)

(6)

式中：u、v、w分別表示層合板在厚度范圍內x、y、z軸方向的位移;u0、v0、w0分別表示層合板中面上的點在x、y、z軸方向的位移。

因此，在中面上點的應變與位移的關系可表示為

(7)

從以上層合板的應變表達式中可以看出，層合板上的上表面、下表面上的點與中面上對應的點之間，其面內的應變和彎曲應變有相關性，而且層合板表面任一點的應變值是沿厚度呈線性變化的。

3復合材料電纜支架的有限元分析

以下通過復合材料電纜支架工作載荷下的靜態有限元分析，來研究其機械結構性能特性，從而評估電纜支架的壽命[7]。在獲得復合材料電纜支架的工作狀態、幾何參數等信息后，采用PROE5.0軟件建立電纜支架的三維模型，在建模時考慮復合材料的層合結構，建立多層面組合，形成電纜支架幾何模型，然后通過中間數據文件格式導入有限元分析軟件，在前處理中對電纜支架的材質進行選擇和定義，接著分析滿載荷下的變形和應力，并計算滿載荷下的剛度值。

3.1　復合材料電纜支架的模型建立

建立有限元模型有2個途徑：一是實體建模法，即利用現有的三維造型軟件建立實體模型，通過中間數據文件的形式，把實體模型導入有限元軟件，然后對其進行分析；二是直接生成法，該方法是利用有限元軟件本身自帶的建模模塊來完成實體模型的建立。由于實體建模法獲得的模型比較精確，修改起來比較方便，具有較高的有效性和通用性，建模效率較高，是一般建模的首選方法，以下電纜支架采用實體建模法。

由于電纜支架為一端固定，另一端為自由端，根據固定方式的不同，有預埋型分體式電纜支架和螺孔型分體式電纜支架。電纜支架的上表面中部安放不同規格的電纜，根據實際需求，電纜支架表面承載的電纜個數可為單個，也可為多個，一般為單個電纜居多。根據電纜支架的承載形式，可以把力學模型簡化為變截面懸臂梁結構，其界面形狀一般為“工”字形，由上托板、下托板和肋板構成，如圖2所示。

圖2　電纜支架的結構組成

對于電纜支架的幾何結構，現參考某220 kV變電站線路改造中所使用的電纜支架參數作為幾何參數，來建立電纜支架的幾何模型，見圖3，其設計參數見表1。

圖3　電纜支架的幾何模型

表1電纜支架設計參數

參數名稱參數取值總長/mm312電纜中心距/mm200固定端高度/mm65單回電纜垂直負載/N2550截面寬度/mm71截面厚度/mm13

電纜支架的有限元模型中，由于所采用的材質為復合材料，考慮復合材料的鋪設角度和層數對結構機械性能的影響，因此在模型建立時，對不必要的特征進行了簡化，方便實現網格劃分。簡化的特征主要包括圓角、曲面等小的特征，模型本身不考慮實際加工過程對材料和結構性能的可能影響，盡可能逼近電纜支架的實際結構，正確反映實際結構的傳力線路、受力情況等，在變形方面只考慮復合材料的線彈性行為，忽略鋪層之間的相對位移和相對變形。

3.2　復合材料電纜支架的有限元分析步驟

3.2.1材料參數及單元類型選擇

復合材料電纜支架主要采用高強度的鋁合金為基體，并利用玻璃鋼/環氧復合材料作為鋪層纏繞于基體周圍。高強度鋁合金基體的性能參數為：彈性模量E=71 GPa，泊松比ν=0.31，剪切彈性模量G=27 GPa，抗剪強度σ=420 MPa。

玻璃鋼/環氧復合材料的材料參數為：E1=49.3 GPa；E2=14.7 GPa；E3=14.7 GPa；G12=6.8 GPa；G13=6.8 GPa；G23=6.8 GPa；ν12=0.296；ν13=0.306；ν23=0.499。

針對復合材料電纜支架的材質，在ANSYS軟件中可供選擇的單元類型有shell99、Shell191、shell181 3種殼單元和Solid46、Solid191 2種實體單元。以下復合材料電纜支架的基體和鋪層結構均可選擇實體單元中的Solid191作為模擬單元進行有限元分析。

3.2.2單元劃分與邊界條件

在ANSYS軟件中，提供了多種網格劃分方法：自由網格劃分、映射網格劃分、自適應網格劃分以及直接生成網格。電纜支架的結構為復合材料擠壓纏繞而成的實體零件，對其進行網格劃分，可以采用控制網格邊長的方式進行直接生產，然后對局部倒角或設有連接孔的部位進行局部加密處理，產生適應于電纜支架結構的網格圖。

對電纜支架的幾何模型進行網格劃分，得到14 271個單元，24 931個節點。復合材料的電纜支架中的上托板和下托板均為一層單元網格，可以模擬20層復合材料的鋪設。

由于電纜與電纜支架一般為弧面接觸，因此在電纜支架的上托板中部設有承載面與電纜表面接觸，因此在承載面的范圍內，對電纜支架施加面載荷，該載荷為電纜支架的工作載荷，一般為相鄰電纜支架距離內電纜的質量，該質量轉換到電纜支架的承載面，轉化為面載荷。因此，根據電纜支架的工作環境及實際公開，需要分析電纜支架的靜態應力分析，保證能夠承載電纜， 上述載荷施加根據表1中的設計載荷施加即可。

4復合材料電纜支架的仿真分析

4.1　復合材料電纜支架強度和剛度的分析

當復合材料的電纜支架在受到電纜重力的作用，對其固定端進行位移約束，并在承載面上的載荷作用下，可以獲得電纜支架在通過大變形的有限元分析結果，由分析結果可提取有關節點的位移、應力、應變等計算后的數值。分析后得到的復合材料電纜支架變形云圖，見圖4。

圖4　復合材料電纜支架變形云

從圖4可以看出最大變形點位于電纜支架的自由端，其變形值為0.745 mm。復合材料電纜支架在3個方向上的變形與整體變形對比發現，在y方向上為電纜支架的主變形方向。

然后對電纜支架上托板的中性面上的節點變形值進行提取，獲得關于沿電纜支架長度方向L上節點的變形曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，變形曲線隨著長度的增加而增加，但是整體并非線型變化，在0~130 mm的節點位移變化為曲線，在130~200 mm的節點近似線形變化，在200 mm以后的節點為水平線。從整個曲線變化趨勢來看，整個電纜支架變形趨勢符合懸臂梁結構的變形規律，其中個別點處出現曲折，是由于上托板和下托板之間的肋板空腔的y方向的變化，還有在圓角過渡的位置，出現位移變化縮減或者增大的情況，但是對電纜支架整體結構影響不大。

圖5　電纜支架上托板中性面上節點變形

從上面分析中，提取出復合材料電纜支架的應力變化云圖，圖6為復合材料電纜支架整體應力云圖。

圖6　復合材料電纜支架應力云

從圖6可以看出，最大應力為0.27 MPa，位置出現在上肋板與固定端的拐角處，其他方向上的應力最大值出現在與電纜的接觸部分，因此可認為復合材料電纜支架結構設計中，與電纜接觸部分的位置及弧度要求較高，另外對上肋板的圓角過渡部分需要多加注意。

根據以上云圖分析結果，對上肋板的中性面上節點的應力進行提取，生成隨著電纜支架長度L方向上，應力變化曲線見7。

圖7　電纜支架上托板中性面上節點變形

從圖7可以看出，復合材料電纜支架的最大應力點的位置在50 mm處，該點正好處于上肋板與固定端的彎角結合處。在電纜支架的模型中，固定端的拐角半徑在不影響電纜鋪設的情況下，盡量采用大半徑轉角，這樣可以提高電纜支架的承載能力，同時也保證了電纜支架的使用壽命。

4.2　復合材料電纜支架安全性分析

利用復合材料電纜支架的幾何模型，對其進行了安全性分析。選取1.5倍載荷作為其最大承載載荷，分析電纜支架的應力分布，其結果見表2。其分析過程與上述的結構分析相同，其分析結果中，重點關心的為x、y和z3個方向的應力分量以及等效應力是否能夠達到極限強度，當任意一個達到材料的極限強度，則認為復合材料的電纜支架不能滿足設計要求。

表2極限載荷下復合材料電纜支架應力分析結果

分析類型x方向應力y方向應力z方向應力等效應力復合材料電纜支架/MPa0.7215.181.5615.36極限應力/MPa373142.4080407.19強度比1381.489.3814.2826.51

對電纜支架的材料參數修改為鑄鋼材質，根據上述分析步驟，得到極限載荷下金屬材料電纜支架應力分析結果，見表3。

表3極限載荷下金屬材料電纜支架應力分析結果

分析類型x方向應力y方向z方向等效應力金屬材料電纜支架/MPa5.0262.308.2363.04極限應力/MPa90909090強度比17.921.4410.941.43

通過對比表2和表3可以發現，根據最大應力強度-應力準則得到的強度比R，復合材料最小值為9.38，金屬材料的最小值為1.43，因此對于同樣結構的電纜支架，復合材料的電纜支架完全能夠承載電纜，不僅保證安全，而且能夠獲得更高的強度比值，兩者相對來說，復合材料的電纜支架在強度和剛度方面，均優于金屬材質的電纜支架。

5結論

a. 復合材料電纜支架結構設計中，與電纜接觸部分的位置及弧度要求較高，另外對上肋板的圓角過渡部分需要多加注意；

b. 復合材料電纜支架固定端的拐角半徑在不影響電纜鋪設的情況下，盡量采用大半徑轉角，這樣可以提高電纜支架的承載能力，同時也保證電纜支架的使用壽命；

c. 對于同樣結構的電纜支架，復合材料的電纜支架完全能夠承載電纜，不僅保證安全，而且能夠獲得更高的強度比值，兩者相對來說，復合材料的電纜支架在強度和剛度方面，均優于金屬材質的電纜支架。

參考文獻：

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本文責任編輯：楊秀敏