基于有限元的復合材料管屈曲分析

朱振洋++單強++譚靖++周楠

摘 要：通過有限元軟件msc.marc對不同鋪層結構的復合材料管進行屈曲分析，并對500 kV復合橫擔塔進行受力分析，得出左橫擔中支柱絕緣子所受的最大軸力和彎矩，并將軸力和彎矩分別加載至支柱絕緣子的實體模型中，計算鋪層結構各層最大應力，得出絕緣筒鋪層結構各層應力相差不能太大。

關鍵詞：支柱復合絕緣子 鋪層結構 復合橫擔

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0081-02

復合橫擔作為支撐輸電線路運行的結構，與傳統(tǒng)鐵塔相比，由于自身絕緣性能，取消了懸垂絕緣子串，桿塔受風載荷影響減小，呼高顯著降低，縮小了走廊寬度，使得整塔重量減輕，基礎作用力也相應減小，提升了安全性能，同時具有耐腐蝕、環(huán)境適應性強，免維護、可設計性好等優(yōu)點。由于復合材料結構的力學性能如剛度、穩(wěn)定性、強度等都與鋪層結構有關，支柱復合絕緣子作為構成復合橫擔的重要元件，在復合橫擔運行中主要受軸向壓力和彎矩作用，因此，研究支柱絕緣子鋪層結構對其承載力的影響對復合橫擔的設計及研發(fā)有著重要意義。

1 復合絕緣管的屈曲分析

國家電網(wǎng)公司科技項目“110kV220kV輸電線路復合橫擔工程應用研究”220 kV復合橫擔中的中相支柱絕緣子，其復合絕緣管內(nèi)徑300 mm，外徑320 mm，長度4 169 mm，復合絕緣管的力學性能見表1。給定鋪層數(shù)14層，共給出8種鋪層結構。根據(jù)復合絕緣管一般的鋪層結構，前2層一般采用90°鋪層，因此前6種結構前2層采用90°鋪層，后面根據(jù)不同的角度組合進行鋪層。為了進行比較，給出全部小角度鋪層和結構八內(nèi)外兩層采用90°鋪層，中間采用小角度鋪層，具體鋪層結構如下：

當彈性模量為35 GPa時，泊松比為0.3，剪切模量為16 GPa；當彈性模量為5 GPa時，泊松比為0.3，剪切模量為16 GPa；當彈性模量為5 GPa時，泊松比為0.1，剪切模量為3 GPa；

由于復合絕緣管兩端膠裝法蘭，膠裝部分提高了絕緣管的剛度，在對絕緣管進行屈曲分析時，對膠裝部分橫向位移進行一定的約束，并對絕緣管一端端部固定，另一端施加軸向壓力，總壓力值5 000 N。通過msc.marc軟件，選用75號shell單元，采用lanczos法進行屈曲分析。

不同鋪層結構的屈曲載荷相差很大，計算結果如下：

鋪層結構為[902/（±5）6]，一階模態(tài)特征值為652.4，屈曲載荷（kN）為3 262；鋪層結構為[902/（±45）6]，一階模態(tài)特征值為343.44，屈曲載荷（kN）為1 717；鋪層結構為[902/（±60）6]，一階模態(tài)特征值為221.8，屈曲載荷（kN）為1 109；鋪層結構為[902/（±5/±45）3]，一階模態(tài)特征值為584.4，屈曲載荷（kN）為2 922；鋪層結構為[902/（±5/±60）3]，一階模態(tài)特征值為522.7，屈曲載荷（kN）為2 613.5，5種鋪層結構均能滿足穩(wěn)定性要求。

2 整塔的受力計算

對220 kV復合橫擔塔進行整體建模，塔身部分是角鋼材料，橫擔部分為復合支柱絕緣子與拉索的組合。對塔底部進行固定，施加對復合橫擔受力影響較大的工況，即錨左下導線。根據(jù)工況條件，左下橫擔受力最大，其水平方向、順線路方向和豎直方向的載荷分別為：4.95 kN、10.41 kN和93.34 kN。計算得到左下橫擔中支柱復合絕緣子的軸力為107 kN，彎矩為22 kN·m。

3 軸向壓力作用下不同鋪層結構的受力計算

支柱復合絕緣子由絕緣管和兩端法蘭構成，法蘭與絕緣管采用膠黏劑進行連接。建立支柱復合絕緣子實體模型，對一端法蘭盤進行固定，另一端施加107 kN的壓力，采用有限元軟件msc.marc對不同鋪層結構進行分析，各鋪層結構及計算得到各層最大應力見表1。

根據(jù)表中的計算結果可知，各層應力均能滿足絕緣管的抗壓強度要求。

4 結語

對于屈曲載荷來說，絕緣管最內(nèi)端采用大角度鋪層，其他部分采用小角度鋪層的結構其穩(wěn)定性最好。對于受壓力和彎曲作用的絕緣管最內(nèi)端宜采用大角度，中間部分宜采用小角度進行鋪層。絕緣筒鋪層結構各層應力相差不能太大，防止絕緣筒在運行時內(nèi)壁應力大于其他層首先出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

參考文獻

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