LGJ150/25型鋼芯鋁絞線股線間接觸有限元分析

趙新澤，周 權(quán)

ZHAO Xin-ze,ZHOU Quan

（三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院，宜昌 443002）

0 引言

架空輸電導(dǎo)線作為輸送電能的主要載體，其在戶外風(fēng)載條件下，將產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)。導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)常常引起的線股間的微動(dòng)磨損[1]和微動(dòng)疲勞[2]，這些微動(dòng)損傷將導(dǎo)致線股的疲勞斷裂[3]。本文將LGJ150/25型鋼芯鋁絞線絞線間微動(dòng)接觸簡(jiǎn)化為兩根鋁線股之間的微動(dòng)接觸形式，研究了在考慮導(dǎo)線塑性行為條件下，法向載荷與軸向載荷對(duì)接觸區(qū)域應(yīng)力分布的影響，由這些分布規(guī)律能夠反映出導(dǎo)線的一些磨損屈服特性。

1 有限元模型

圖1 鋁線應(yīng)力-應(yīng)變曲線

LGJ150/25型鋼芯鋁絞線中鋁線股的直徑為2.7mm，夾角為23.76°；施加的到線股上的法向載荷與軸向載荷分別?。?.6MPa和12.62MPa；摩擦系數(shù)取0.2；材料的彈性模量與泊松比分別為59GPa和0.3。鋁線股的材料特性按照?qǐng)D1所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[4]設(shè)置。

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模與分析。首先建立導(dǎo)線接觸模型，為了提高計(jì)算速率，只建立導(dǎo)線的1/2模型，導(dǎo)線長(zhǎng)度為4mm。采用的網(wǎng)格單元為C3D8R型四面體單元。加載分為兩步：首先在上導(dǎo)線上表面施加法向載荷，然后在導(dǎo)線軸端施加軸向載荷。加載及邊界條件與有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 線股有限元接觸模型

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸區(qū)域應(yīng)力云圖分布情況

圖3所示為有限元求解后接觸區(qū)域的應(yīng)力云圖分布。由接觸壓應(yīng)力分布云圖可看出，接觸區(qū)域形狀為一橢圓形狀，且沿接觸中心對(duì)稱分布。導(dǎo)線接觸區(qū)域的Von Mise應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接觸邊緣，大小為55.58MPa，材料已經(jīng)發(fā)生了塑性屈服如圖3(a)所示。接觸壓應(yīng)力的最大值為-124.3MPa，同樣分布在接觸邊緣如圖3(b)所示；表面上的剪應(yīng)力呈反對(duì)稱分布，最大值為23.05MPa，且也出現(xiàn)在接觸邊緣如圖3(c)所示。因此，接觸邊緣的應(yīng)力集中將導(dǎo)致此區(qū)域產(chǎn)生較大塑性變形和萌生磨損裂紋。

圖3 接觸區(qū)域應(yīng)力分布云圖

2.2 法向加載歷程對(duì)接觸表面應(yīng)力分布的影響

圖4所示為接觸區(qū)域應(yīng)力隨法向加載歷程的分布曲線，定義沿接觸橢圓長(zhǎng)軸方向?yàn)槁窂絘方向，則由圖4(a)可以觀察到：在第1個(gè)載荷增量步中，路徑a上的節(jié)點(diǎn)Von Mise應(yīng)力都在初始屈服應(yīng)力值30MPa以下，說(shuō)明還沒(méi)有發(fā)生塑性屈服；在第10個(gè)載荷增量步時(shí)，靠近接觸中心的節(jié)點(diǎn)Von Mise應(yīng)力值達(dá)到42.26MPa，已經(jīng)開始屈服，并且進(jìn)入材料強(qiáng)化階段，在此階段導(dǎo)線產(chǎn)生塑性變形所需的應(yīng)力值增大。從第20個(gè)載荷增量步到最后1個(gè)載荷增量步，接觸中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力值降低到33.21MPa，而接觸邊緣上節(jié)點(diǎn)的Von Mise應(yīng)力增加到51.15MPa。這是因?yàn)殡S著載荷增量步的增加，表面的應(yīng)力也逐漸增大，并且向接觸邊緣擴(kuò)張。因此，中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力比接觸邊緣的要小。圖4(b)中的接觸壓應(yīng)力分布與Von Mise應(yīng)力分布類似，且接觸區(qū)域逐漸變大。接觸剪應(yīng)力分布如圖圖4(c)所示，同樣，隨著載荷增量步的增加接觸剪應(yīng)力向邊緣逐漸擴(kuò)展，剪應(yīng)力呈反對(duì)稱分布且最大值位于接觸邊緣。因此，接觸邊緣區(qū)域是裂紋產(chǎn)生的主要區(qū)域。

圖4 接觸區(qū)域應(yīng)力隨法向加載歷程的分布曲線圖

2.3 軸向載荷對(duì)接觸表面應(yīng)力的影響

保持法向載荷不變，在導(dǎo)線端面施加軸向載荷。圖5所示為施加軸向載荷后與僅施加了法向載荷時(shí)的接觸面沿路徑a上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線圖。

圖5 不同載荷步下接觸區(qū)應(yīng)力分布曲線圖

由圖5(a)可以觀察到，施加軸向載荷后，接觸節(jié)點(diǎn)上的Von Mise應(yīng)力有所增大，最大值為54MPa，且應(yīng)力分布曲線與法向加載條件下的應(yīng)力曲線相似，靠近接觸邊緣的Von Mise應(yīng)力值比接觸中心區(qū)域的Von Mise應(yīng)力值大。由于軸向載荷的拉伸作用，接觸區(qū)域逐漸擴(kuò)展，接觸面上的接觸壓應(yīng)力降低，如圖5(b)所示。在軸向載荷作用下，接觸區(qū)域上的剪應(yīng)力相應(yīng)增加，應(yīng)力分布曲線也呈反對(duì)稱分布，如圖5(c)所示。軸向載荷一方面降低了接觸壓應(yīng)力，使微動(dòng)磨損更容易產(chǎn)生。另一方面增大了接觸區(qū)的剪應(yīng)力，加速了裂紋的萌生與擴(kuò)展。

2.4 接觸表面內(nèi)部應(yīng)力分布

圖6 導(dǎo)線接觸表面內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖6(a)和圖6(b)分別為加載后沿接觸中心點(diǎn)垂直向下的節(jié)點(diǎn)上的Von Mise應(yīng)力分布曲線圖與接觸表面內(nèi)部的Von Mise應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看到，Von Mise應(yīng)力由表面向內(nèi)部呈輻射狀，并且在離表面0.1mm處達(dá)到最大值，然后再減小。由此可見(jiàn)，在導(dǎo)線接觸面的內(nèi)部更容易產(chǎn)生Ⅰ型裂紋[5]。圖6(c)所示為接觸表面內(nèi)部的接觸剪應(yīng)力分布云圖，可以觀察到接觸剪應(yīng)力主要分布在接觸邊緣內(nèi)部呈45°角的區(qū)域，應(yīng)力值向內(nèi)部逐漸減小，此應(yīng)力分布狀態(tài)很好的解釋了Ⅱ型裂紋的產(chǎn)生原因[5]。

3 結(jié)論

本文以LGJ150/25型鋼芯鋁絞線為研究對(duì)象，用ABAQUS有限元軟件對(duì)絞線中鋁線股間的接觸模型進(jìn)行了有限元分析，得到以下結(jié)論：

1）法向加載的初始階段，接觸區(qū)沒(méi)有發(fā)生塑性屈服現(xiàn)象， Von Mise 應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力由中心向邊緣遞減。隨著加載的進(jìn)行，接觸應(yīng)力向邊緣擴(kuò)展，接觸區(qū)材料逐漸發(fā)生塑性屈服，并進(jìn)入材料強(qiáng)化階段，接觸邊緣的Von Mise 應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力逐漸增加，而在中心區(qū)域有所降低；接觸剪應(yīng)力始終呈反對(duì)稱分布并持續(xù)增加，分布曲線逐漸向接觸邊緣擴(kuò)展。

2）軸向載荷使Von Mise 應(yīng)力與接觸剪應(yīng)力增加，而使接觸壓應(yīng)力減小，分布規(guī)律與法向加載條件下的情況相似，接觸邊緣的應(yīng)力值最大。接觸邊緣區(qū)域是產(chǎn)生嚴(yán)重磨損以及裂紋萌生與擴(kuò)展的關(guān)鍵位置。

3）導(dǎo)線內(nèi)部較大的Von Mise 應(yīng)力與接觸剪應(yīng)力以及其分布規(guī)律是Ⅰ、Ⅱ型裂紋產(chǎn)生的主要原因。

[1] 趙新澤,勞海軍,高偉.鋼芯鋁絞線絞線間接觸與磨損分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(11)：48-52.

[2] 陳浩賓.高壓輸電導(dǎo)線微動(dòng)損傷及微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)[D].武漢：華中科技大學(xué),2008.

[3] C.R.F.Azevedo,A.M.D.Henriques.Fretting fatigue in overhead conductors：Rig design and failure analysis of a Grosbeak aluminium cable steel[J].Engineering Failure Analysis.2009.(16)：136-151.

[4] Boyer,H.F.Atlas of Stress-Strain Curves[S].ASM International.Metals Park,Ohio,1987.

[5] 李英平.微動(dòng)損傷機(jī)理的研究.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),2001.10(3)：9-11.