特高壓大直徑支柱復合絕緣子靜力分析報告

李挺標 張廣全 焦忠政 張億佳 寇亞亞

（1. 白云電氣集團的華東總部南京電氣科技集團有限公司 2.南京電氣（集團）高新材料有限公司）

0 引言

支柱復合絕緣子產品結構由FRP絕緣棒、硅橡膠傘群和端部法蘭組成，通過SOLIDWORKS軟件對南京電氣（集團）高新材料有限公司設計制造的特高壓支柱復合絕緣子產品（產品規格：絕緣棒直徑φ280mm×2515mm）進行三維建模，并使用SOLIDWORKS Simulation仿真計算絕緣子的受力特性。根據計算結果查看各部件的應力分布和變形情況，根據設計標準判斷支柱復合絕緣子各部件是否滿足設計要求。

另外，根據力學的相關公式進行計算，力學計算公式得出的值與SOLIDWORKS軟件建模值進行對比其差異。

在實際生產過程中，對生產出來的支柱復合絕緣子進行實際設計彎曲負荷（MML）驗證試驗，并將試驗結果數據與仿真計算結果和力學公式計算結果進行比較。

1 SOLIDWORKS Simulation仿真計算

1.1 計算基本條件

（1）幾何模型

單元件尺寸：φ280mm×2515mm，單元件由上端法蘭、芯棒、下端法蘭組成。根據給定的模型圖紙，對模型進行三維建模。

此部件為本司特高壓支柱復合絕緣子產品（φ280mm×12270mm）最下節單元件，其幾何模型如圖1所示。

圖1 單元件幾何模型示意圖

（2）有限元模型

對建模后的模型進行網格劃分，設定端部法蘭與芯棒連接形式為全局接觸相互接合，按照SOLIDWORKS Simulation默認的參數劃分結果如圖2所示。

（3）材料屬性

圖2 單元件有限元模型示意圖

本單元件各主要零部件的材料設定屬性值如表1所示。

1.2 靜應力分析

根據給定的載荷工況，對某司特高壓支柱復合絕緣子產品最下節單元件結構進行靜應力分析計算。

（1）邊界條件及載荷

1）特高壓產品整柱結構高度為12270mm，產品的設計彎曲負荷為16kN，整柱力矩為196.32kN·m；

2）本單元件為特高壓產品最下節單元件，其結構高度為2515mm，根據力矩換算，對整體模型端部上法蘭施加垂直與軸線方向的載荷78.1kN，計算得出本單元件力矩為196.42kN·m；

表1 主要零部件材料設定屬性值

3）設定端部下法蘭夾具固定；

4）設定端部法蘭與芯棒連接形式為全局接觸相互接合。

加載后的模型如圖3所示。

圖3 加載后的模型

（2）計算結果

運行SOLIDWORKS Simulation進行靜應力分析，應力、位移和應變的分析結果分別如圖4~圖6所示。

圖4 靜力載荷下的整體應力云圖

圖5 靜力載荷下的位移云圖

從靜力載荷下的整體應力云圖可見，此時單元件的最大應力值為340.5MPa。

從靜力載荷下的位移云圖可見，此時單元件在最大應力值340.5MPa下，頂端偏移29.17mm。

圖6 靜力載荷下的應變云圖

從靜力載荷下的應變云圖可見，此時單元件在最大應力值340.5MPa下，最大應變量為0.0015。

如圖4~圖6所示單元件在垂直與軸線方向的78.1kN載荷作用下的最大位移為29.17mm，發生在絕緣子上端頂部，此時的最大應力為340.5MPa，發生在下法蘭。根據端部法蘭與芯棒的材料特性，產品設計滿足技術標準要求，并計算得出安全系數如表2所示。

表2 各主要零部件的最大應力

從表2可以得出：產品在最大機械負荷196.42kN·m作用下，其產生的最大應力遠小于材料本身的許用應力，各部件安全系數均大于1.2，滿足受力要求。

2 力學公式計算分析

（1）根據管材料彎曲應力校核計算公式

式中，σ為芯棒最大彎曲應力MPa；Mw為SML額定機械負荷，N·mm；D1為絕緣管外徑，mm；d1為絕緣管內徑，mm。

其引用參數及芯棒最大彎曲應力σ計算結果見表3。

表3 芯棒彎曲應力校核表

（2）根據管材料剛度計算公式

式中，f為頂端最大偏移量，mm；F為產品所受彎力，N；L為產品力臂，mm；E為產品彈性模量，GPa；D1為絕緣管外徑，mm；d1為絕緣管內徑，mm。

其引用參數及頂端最大偏移量f計算結果見表4。

表4 產品剛度計算表

3 彎曲負荷試驗驗證

對生產出來的產品進行彎曲負荷試驗，試驗現場照片及試驗曲線見圖7。

圖7 試驗現場照片及試驗曲線

其中試驗結果如表5所示。

4 結果

4.1 模型計算結果

通過利用SOLIDWORKS Simulation軟件建立支柱復合絕緣子力學模型，并對模型進行載荷工況下的力學性能分析。

從靜應力計算分析結果可知，在垂直與軸線方向的78.1kN載荷作用下的最大位移為29.17mm，發生在絕緣子上端頂部；此時的最大應力為340.5MPa，發生在下法蘭。此時芯棒最大應力為98.1MPa。

按照端部法蘭材料鑄鋼許用應力482MPa計算得最小安全系數為1.41，滿足最小安全系數1.2的規范要求。

4.2 力學公式計算結果

根據管材料彎曲應力校核計算公式得出單元件在端部施加額定機械負荷196420000N·mm的力矩時，芯棒受到最大彎曲應力為91.2MPa，和模型計算結果接近。

根據管材料剛度計算公式得出在單元件在端部施加78100N作用力時，頂端最大偏移量為34.29mm，和模型計算結果接近。

4.3 試驗驗證結果

對生產出來的產品進行彎曲負荷試驗，端部下法蘭用螺栓連接固定在試驗基座上，在上法蘭端部施加垂直與軸線方向的載荷78.1kN作用下，端部偏移量為32.69mm，產品耐受90s，沒有損傷。試驗結果與模型計算結果接近。

三種驗證結果對比如表6所示。

表6 三種驗證結果對比

4.4 結果的誤差分析

需要注意的是，仿真計算過程是簡化處理的，可能存在以下誤差原因：

1）實際絕緣子是由螺栓連接固定的，中間可能存在間隙導致仿真比實際變形量偏小。

2）仿真模型各零部件是理想尺寸形狀，實際各構件的橫截面尺寸、長度、形位公差等存在實際誤差。

3）仿真模型各零部件的連接關系是剛性的，實際各構件之間的連接存在間隙。

4）力學計算公式是不考慮產品零部件的屬性的，僅對等效載荷下的芯棒模型進行計算校核，其結果是偏理想化的。

5 結束語

通過以上分析結果可知，某公司生產制造的特高壓支柱復合絕緣子產品各部件滿足設計標準要求。SOLIDWORKS Simulation靜應力仿真及力學計算結果與實際產品試驗結果是接近的，可作為前期設計是否滿足設計標準的判斷依據。