基于ANSYS Workbench楔形耐張線夾的有限元分析

楊浩隆，唐 靜，付彬彬

（永固集團股份有限公司，浙江 樂清 325600）

自“西電東送”建設以來，我國的輸配電技術發展迅速，但隨著時間的推移，電力金具的質量問題也逐漸顯露。電力金具的質量直接決定著整個輸配電是否能有效運作，而合理的設計是電力金具質量的關鍵因素之一，它能提高輸電線路的運行穩定性。常用的電力金具設計采用二維制圖，但無法直觀地觀察到電力金具因尺寸而引起的問題，隨著設計形式從二維向三維的變革[1]，如此不僅解決了尺寸干涉問題，還可以進一步采用有限元分析軟件，提前預估在外界環境作用下的力學問題。目前，在電力金具的設計上已見相關應用，王曉輝[2]研究了U型掛環的靜、動態特性，為工作人員日常維護提供理論指導；王益博[3]研究了均壓環在不同風荷下的應力分布及變形情況，并給出了提高和保障均壓環質量的建議；蔡猛昌[4]研究了碗頭掛板的應力分布，提出碗頭掛板的改進方案，達到了提高強度和節省材料的目的。為驗證楔形耐張線夾設計的可靠性，本文是基于Ansys中的集成平臺Workbench對其進行研究。

1 楔形耐張線夾的設計

楔形耐張線夾屬于電力金具中的拉線金具一類，主要用于固定拉線桿塔。其設計要點為以下3點：

第一，楔形耐張線夾發生斷裂的位置一般在掛耳處，可適當地增大掛耳處的壁厚，或者可以考慮增加加強筋，增強其強度；

第二，楔形耐張線夾的殼體設計較為重要，可能發生的缺陷為殼體開裂，因此該部分的內圓弧應光滑過渡，壁厚均勻，保證受力均勻；

第三，楔形耐張線夾的板厚要足以承受一定數值的載荷，具體數值可參考國家標準GB/T 2314—2008《電力金具通用技術條件》。

2 楔形耐張線夾力學分析

2.1 顯式動力學分析

將拉伸斷裂試驗過程的計算作為動態問題進行處理，可以更加方便地分析整個拉伸過程中楔形耐張線夾的形變以及應力分布的變化。顯式算法相較于隱式算法有更好的穩定性，不須要進行平衡迭代，故采用顯式動力學分析方法。

2.2 模型建立

在三維建模軟件Solidworks 中建立楔形耐張線夾模型，如圖1 所示。為便于有限元模型的建立，將三維模型中的工藝圓角去掉，采用六面體網格劃分，劃分結果如圖2所示，并賦予鋁合金材料屬性，鋁合金材料的力學特性如表1 表示，其余性能參數參考Workbench材料庫中的默認設置。

圖1 楔形耐張線夾

圖2 網格劃分

表1 材料屬性

2.3 邊界條件設置

模擬拉伸試驗真實的受力情況，將楔形耐張線夾的B 端用夾具固定，A 端與螺栓連接，并將140、145以及150 kN的拉力值施加于螺栓，如圖3所示。

圖3 拉力施加

2.4 求解結果分析

由圖4及圖5可知，楔形耐張線夾在拉力范圍為140～145 kN的作用下，應力最大值均出現在殼體的尾端下部中心位置，在145 kN時，掛耳處開始出現應力集中現象，可能會發生斷裂現象；當拉力值達到150 kN 時，如圖6 所示，在掛耳處出現大面積的應力集中，且其應力最大值也出現在該部分，為380.02 MPa，該處的應力值均超出鋁合金材料的抗拉強度，發生斷裂現象，由此可知，楔形耐張線夾的破壞載荷為145～150 kN。

圖4 140 kN-應力分布

圖5 145 kN-應力分布

圖6 150 kN-應力分布

3 拉伸試驗

制作楔形耐張線夾樣品，并將其固定于拉伸試驗機，啟動試驗機，按照圖7 所示的拉力曲線進行施加載荷，加壓至152 kN時，發現產品在掛耳處斷裂，如圖8 所示，且在尾端型腔內表面有壓痕，如圖9所示。

圖7 拉伸曲線

圖8 斷裂位置

圖9 壓痕

斷裂位置與上述仿真結果相符，實際拉斷力為150 kN，仿真拉斷力值為145～150 kN，仿真誤差值大致為4.6%，可見產品的仿真結果較為準確，產品模型可以用于后續研究。

4 結束語

根據國家標準GB/T 2314—2008《電力金具通用技術條件》的要求，其握力強度要求是導線計算拉斷力的90%。上述產品的標稱破壞載荷是88 kN，工況系數選擇1.2，可得產品承受至少為105.6 kN的拉力且沒有斷裂。根據實驗結果，最后的拉斷力為150 kN，產品的力學性能符合要求，設計合理。同時，其破壞載荷值遠大于105.6 kN，由此可以對產品進行進一步的減材，在滿足性能指標的同時，致使其耗材量最少，以達到經濟效益最佳的目的。