基于ANSYS的受風吹母線槽通絲吊架研究

陶 杰

(鎮江西門子母線有限公司，江蘇 鎮江 212211)

母線槽是一種進行大容量電力電能輸送的產品[1]，具有結構緊湊、重量較重和線路長等特點。為了保證母線槽能夠穩定可靠地把電能輸送至需要用電的場合，不可避免地要使用相關支承附件對母線槽產品進行支承，通常使用的支承附件有托臂支架、槽鋼吊架和通絲吊架，它們可根據母線槽[2]產品的安裝場所和支承要求進行選擇。一般來說，托臂支架通常于母線槽產品安裝在較靠近墻體時使用，通過膨脹螺栓將支架固定于墻面；而槽鋼吊架和通絲吊架則大都通過膨脹螺栓吊裝在建筑物頂部。槽鋼吊架與通絲吊架相比，因其承載能力強，目前多用于雙拼大電流等級的母線槽產品中，但是由于其安裝比較復雜，承載重心不平衡的特點，因此槽鋼吊架安裝過程中要保證槽鋼底座的水平以確保母線槽產品支承的水平和穩定。而通絲吊架在受外力(例如風力等)影響時變形量會較大，故需要考察通絲吊架在這些外力下是如何變形的，以及這些變形量是否會影響通絲吊架整體的穩定性和安全性。母線槽通絲吊架安裝圖如圖1所示。

圖1 母線槽通絲吊架安裝圖

1 建立通絲吊架有限元模型

通絲吊架的物理模型[3]是為了進行產品生產和制造來使用的，但如果直接使用此模型進行有限元分析則很難滿足有限元分析的要求，因此，需要根據通絲吊架中不同零部件的重要性進行相關簡化。

由于重點是考察通絲吊架變形量，因此將通絲吊架中的相關螺母和墊片進行優化，省略這些螺母和墊片，并且將余下的零部件模擬成一個整體的零件，這樣的優化并不會影響通絲吊架中各個零部件之間的變形量。然后，考慮膨脹螺栓對于通絲吊架的整體變形量也基本無影響，可以將其也省略掉。最后，考慮用于安置母線槽產品的C型槽鋼，其形狀比較復雜，為了提升模型的計算效率，將其簡化為矩形件，這樣既能夠有效提升模型的計算時間，同時也不會影響模型的計算效果。按照上述方法簡化后的通絲吊架的有限元模型[4-5]如圖2所示。

圖2 簡化后通絲吊架有限元模型

2 通絲吊架在流體場中的受力分析

通絲吊架不但要承受母線槽產品的重量，同時還受到風吹的影響，因此，此類型的問題涉及到流固耦合[6]情況，首先應確認通絲吊架所承受的風載荷是如何分布的，然后將風載荷和母線槽產品的重量進行疊加，求解通絲吊架的整體變形情況。

目前，使用通絲吊架的場合多是在室內，按照相關標準和規定，一般室內風速約為5 m/s，將通絲吊架在室內所受到的風速大小設定為5 m/s，并且按照讓風正向吹向通絲吊架，同時使用布爾運算求解得到通絲吊架所處的流體場[7]，使用CFD的網格劃分方式對通絲吊架所處于的流體場進行劃分，然后應用Fluent軟件對流體場中的壓力分布進行求解，所得的流場分布情況如圖3所示。

圖3 通絲吊架所受風載荷壓力場分布

3 通絲吊架整體受力分析

考慮通絲吊架變形量(見圖4)是受到風載荷的影響，而不需要考慮通絲吊架對其所處的流體場的影響，因此，采用單耦合方式進行分析，以便提高計算的效率。首先采用靜態結構分析的方法進行分析，并且將流體場進行壓縮處理，在對通絲吊架進行添加約束[8]時，將母線槽產品的重量轉換成對應的壓力值施加到通絲吊架的C型槽鋼上，并且將之前計算得到的風載荷也轉換成對應的壓力值施加到通絲吊架上，這樣就完成了通絲吊架的相關約束設定。

a) 整體變形量

b) 底部變形量圖4 通絲吊架變形量

從圖4a可知，通絲吊架整體變形量[9]是從上向下越來越大，頂部由于被固定沒有變形量，而通絲底部沒有約束，因此變形量最大，這一仿真趨勢與實際情況是吻合的。實際使用場景中，物體的變形量都是從約束側向未約束側不斷地擴大。在仿真過程中，通絲吊架根據實際使用情況設定其承受的母線槽產品的壓力，按照2 000 A電流等級的母線槽折算其重量，同時按照每1.5 m來設置一個通絲吊架，這樣就能推算出每個通絲吊架大概承受1.5 m的2 000 A母線槽所產生的壓力，而通絲吊架所承受的風載荷情況之前已經設定好了，在此不再贅述。在這些設定的條件下，通絲吊架的最大變形量約為1.96×10-5m，這樣的變形量是非常微小的，說明正常使用場合中，標準情況下的風載荷對通絲吊架的安全性和穩定性影響也是比較小的。

從圖4b可知，通絲吊架所發生最大變形量的零部件都處于通絲吊架的底部區域，這一方面是因為通絲吊架中的C型槽鋼承受了母線槽產品的壓力，其會發生相應的變形量；另一方面是因為通絲吊架在底部完全是無約束的狀態，所有的變形量都累積到了這一區域。從通絲吊架最大的變形量數值來看，這些零部件的變形量都是比較微小的，也就充分說明了通絲吊架中的這些零部件都沒有發生塑性形變，同時也能夠說明通絲吊架整體在承受這樣的載荷情況下是安全可靠的。

4 結語

通過上述有限元分析結果，可以得到如下相關的結論。

1)通絲吊架的變形量是由固定側向未固定側不斷累積的，因此，良好的固定約束能夠有效減小通絲吊架的變形量，并且同時能夠有效提升通絲吊架的整體穩定性和安全性。雖然通絲吊架在相關載荷的影響下會承受一定的變形量，但是這些變形量是比較微小的，尤其是在標準風載荷的影響下，對于通絲吊架的變形量更是微小，但是還是需要考慮這一因素的影響，這是因為通絲吊架是一種又細又長的結構體，此類型結構在受到外部擾動的情況下，可能會造成整體結構的失穩和破壞，這也就需要通過計算和仿真來避免這類事故的發生。

2)針對通絲吊架變形量的研究和分析，通絲吊架整體發生變形量最大的零部件是通絲吊桿，雖然C型槽鋼的變形量也是比較大的，但是其變形量并非是由風載荷所導致，而是由于母線槽產品的自身重力所引起的，因此，其變形方向與通絲吊桿的變形方向不同，其變形方向與重力方向保持一致，并不會引起通絲吊架整體的不穩定，反而能夠在一定程度上保證通絲吊架的穩定性得到有效提升。最后，通絲吊架的穩定性和安全性還與通絲吊桿的長度和螺徑有著密切的關系，目前所建立的模型是按照真實使用的產品進行建立，因此，得到的計算結果也能夠說明此類型的通絲吊架是安全可靠[10]的。

3)雖然對通絲吊架的模型進行了一定的優化，但是這些優化并不會影響最終的計算結果，尤其是在通絲吊架模型中，最容易發生最大變形量的零部件并沒有進行簡化，這也充分保證了最終計算結果的真實和可靠。

4)通絲吊架模型雖然保證了整體變形量是安全和可靠的，但是并沒有考慮通絲吊架模型的模態情況以及在不同階模態[11]情況下是否會發生失穩，這也是需要下一步繼續進行研究和完善的地方。