柔性電纜等效模型對跨越架防護網(wǎng)的沖擊響應(yīng)分析

陳保家　朱晨希　周幼輝　童　冠　張松華

(1. 三峽大學 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌　443002； 3. 湖北省送變電工程公司， 武漢　430000)

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柔性電纜等效模型對跨越架防護網(wǎng)的沖擊響應(yīng)分析

陳保家1，2朱晨希1，2周幼輝1，2童冠1，2張松華3

(1. 三峽大學 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌443002； 3. 湖北省送變電工程公司， 武漢430000)

摘要：針對柔性電纜碰撞沖擊柔性體的問題．本文以跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，將日本道路公團算法以及有關(guān)試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上研究的落石沖擊力計算方法應(yīng)用在導(dǎo)線對防護網(wǎng)的沖擊問題上，通過理論計算得出了防護網(wǎng)架體固定端的受力．同時利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立電纜沖擊防護網(wǎng)系統(tǒng)的有限元等效模型．等效模型中以質(zhì)量塊和棒料代替等質(zhì)量的斷裂電纜．分別計算了不同工況條件下等效物體沖擊柔性防護網(wǎng)時跨越架架體固定端的受力．仿真結(jié)果驗證了理論計算的準確性．該計算有效解決了柔性體之間碰撞沖擊力難以計算的問題，為跨越架的設(shè)計提供了受載分析的依據(jù)．

關(guān)鍵詞：跨越架防護網(wǎng)；斷裂電纜；質(zhì)量塊；棒料；固定端受力

柔性防護網(wǎng)常應(yīng)用于工程中的崩塌落石防護的問題，以其防護級別高、防護效果好等優(yōu)點，在公路行業(yè)得到了大量的推廣運用．隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，輸電線路不斷增加，電網(wǎng)輸變電工程施工中，新建輸電線路往往會與已運行的高壓輸電線路、鐵路及高速公路等被跨物在地理位置上產(chǎn)生交叉．新建線路導(dǎo)地線需要翻越被跨物[1-3]．在張力展放新建線路導(dǎo)地線及緊掛線時，為了確保該導(dǎo)地線與被跨物之間的安全距離，需要預(yù)先在兩者之間搭設(shè)絕緣安全網(wǎng)也稱之為防護網(wǎng)．隨著不同類型的不停電式跨越架研究的飛速發(fā)展，針對不同跨越架中起安全防護作用的防護網(wǎng)的研究也得到了重視．計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬計算成為防護網(wǎng)動態(tài)沖擊過程中非常有效的方法[4-6]．

本文借助于日本道路公團算法以及有關(guān)試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上研究的落石沖擊力計算方法，將沖擊過程簡化為落石沖擊地面的過程，忽略沖擊過程中的能量損失，通過理論經(jīng)驗公式計算了防護網(wǎng)架體的固定端受力．分別討論輸電線路施工過程中一牽一展放引繩斷裂、一牽四展放引繩斷裂后電纜沖擊防護網(wǎng)的過程(一牽一工況即一根牽引繩連接牽引一根電纜放線時斷繩，一牽四工況即一根牽引繩通過走板連接牽引四根電纜放線時斷繩)．以迪尼瑪繩作承載繩[7-10]，尼龍繩做防護網(wǎng)編織繩，研究沖擊過程中兩種不同工況下跨越架防護網(wǎng)固定端的受力情況．進一步，基于有限元方法和大型仿真模擬軟件ANSYS/LS-DYNA來計算兩種工況下跨越架固定端的受力情況，模擬仿真很好地驗證了理論計算的準確性．為跨越架的設(shè)計提供了載荷依據(jù)．

1跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)

針對特高壓工程典型線路和500 kV線路工程典型線路架線施工過程．輸電線路張力架線施工中，當所展放的高張力牽引繩發(fā)生斷裂時，其斷開部分導(dǎo)線可能瞬間接觸到跨越架，使跨越架架體固定端承受到較大沖擊力．跨越架整體示圖如圖1所示，跨越架架體跨距為420 m，防護網(wǎng)位于跨越架中心位置．

圖1　跨越架整體示圖

跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)(如圖2所示)主要由承載繩、循環(huán)繩、吊臂、小滑輪及迪尼瑪繩網(wǎng)組成的柔性結(jié)構(gòu)，承受并擴散施工中因牽引繩或?qū)Ь€斷裂后沖擊產(chǎn)生的沖擊力，形成防護屏障，利用系統(tǒng)的柔性變形能力，延長并緩沖斷裂電纜對跨越架的作用時間，大大削弱沖擊力，同時不斷擴散沖擊動能，達到對跨越架下方物體的保護作用[11-13]．

圖2　跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)在斷裂輸電電纜沖擊過程中主要通過迪尼瑪繩網(wǎng)、承載繩及吊臂的張緊作用，來減小斷裂電纜的最大瞬時沖擊力，其中迪尼瑪繩網(wǎng)是主要的能量擴散構(gòu)件．迪尼瑪繩網(wǎng)具有質(zhì)量輕、強度高、高模量及很好的彈性內(nèi)能吸收能力等特點．斷裂電纜的能量大部分通過迪尼瑪繩的張緊變形被吸收，少部分則通過吊臂、小滑輪傳遞給承載繩及循環(huán)繩，并最終連續(xù)的傳遞到跨越架架體上，減小對跨越架立柱的瞬時沖擊．

2力學理論計算

柔性多體碰撞問題是傳統(tǒng)力學中比較復(fù)雜的問題，針對本文中提出碰撞沖擊問題，工況較為復(fù)雜．本文將電纜與柔性防護網(wǎng)的沖擊過程簡化，將電纜視作剛性體，因此問題簡化為剛形體與柔性體碰撞的問題．將電纜等效為等質(zhì)量的落石，柔性防護網(wǎng)等效為有一定厚度的緩沖土層．不考慮沖擊過程中能量的損失．本文引入日本道路公團的關(guān)于落石沖擊力計算的方法．

日本道路公團基于落石沖擊力試驗的實測數(shù)據(jù)和Hertz彈性碰撞理論[14]導(dǎo)出的落石自由落體情形下的最大沖擊力計算公式為：

(1)

式中，P為落石最大沖擊力(kN)；m為落石質(zhì)量(t)；g為重力加速度取9.8 m/s2；λ為拉梅系數(shù)λ∈(1 000，10 000)(kg/m2)；H為落石初始高度(m)．拉梅系數(shù)λ與被沖擊物的彈性系數(shù)及泊松比有關(guān)．

3數(shù)值計算模型和材料參數(shù)

3.1斷裂電纜的基本模型和參數(shù)

當斷裂輸電電纜沖擊防護網(wǎng)系統(tǒng)時，因整根電纜沖擊的先后順序不同，在防護網(wǎng)的攔截作用下，電纜與防護網(wǎng)接觸前后主要有局部穿透和反彈兩種狀態(tài)，即電纜頭部穿透防護網(wǎng)繼續(xù)運動直到被另一端繩頭拉住，或者被防護網(wǎng)直接彈回．就一般情況來說，斷裂電纜下落過程中首先接觸防護網(wǎng)的為帶有走板的繩頭，接著整根電纜陸續(xù)沖擊防護網(wǎng)．考慮柔性電纜撞擊防護網(wǎng)過程中，柔性體對柔性體沖擊較為復(fù)雜，本文將分析過程簡化，采用剛性體對柔性體的沖擊方式代替，分別以等效質(zhì)量的質(zhì)量塊和棒料來代替柔性輸電電纜．為考察沖擊過程中跨越架立柱固定端的受力情況，將從等效質(zhì)量的質(zhì)量塊和棒料沖擊防護網(wǎng)兩個方面進行分析．在一牽一展放(如圖3所示)跨距為420 m時，斷裂電纜的等效沖擊質(zhì)量為149 kg，該質(zhì)量是以型號為LGJ-500/45的電纜(線密度為ρ=1.69 kg/m)計算得到．在一牽四展放(如圖4所示)跨距為420 m時，經(jīng)計算，斷裂電纜的等效沖擊質(zhì)量為490 kg，初始下降高度為0.5 m，沖擊初始速度為10 m/s，其中等效質(zhì)量塊的基本尺寸為1 m×1 m×1 m，等效棒料的基本尺寸為40 m×0.2 m×0.125 m．數(shù)值模擬時質(zhì)量塊和棒料簡化為剛性體，采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164實體單元和剛體模型，不考慮質(zhì)量塊和棒料在沖擊過程的變形情況，同時忽略空氣阻力作用，并假定質(zhì)量塊和棒料沖擊過程中直接作用在防護網(wǎng)中心位置．

圖3　一牽一展放布置圖

圖4　一牽四展放布置圖

3.2跨越架防護網(wǎng)的基本模型和參數(shù)

輸電線路跨越架防護網(wǎng)根據(jù)不同工作需要可以使用不同的類型．本次研究對象為單張防護網(wǎng)，其尺寸為16 m×8 m．安全網(wǎng)由粗細兩種尼龍繩編制而成，主筋為φ20的粗繩，長度方向間距為4 m，寬度方向兩外側(cè)間隔2.5 m，由φ10細繩填滿網(wǎng)格，間距為0.5 m．網(wǎng)上排列布置有多根玻璃鋼管支撐桿，防止安全網(wǎng)發(fā)生枕形收縮．每端最外側(cè)2根玻璃鋼管支撐桿，由外向內(nèi)依次內(nèi)置一根φ8、φ16迪尼瑪繩．繩索合理采用編織、絞制、套制等工藝，使防護網(wǎng)整體具有牢固、伸縮性小、美觀、使用方便等特點(如圖5所示)．防護網(wǎng)上方的承載繩采用φ22迪尼瑪繩，吊帶采用φ20尼龍繩，繩索具體參數(shù)見表1．

圖5　防護網(wǎng)繩索具體布置圖

數(shù)值模擬時跨越架防護網(wǎng)系統(tǒng)承載繩、防護網(wǎng)粗繩、細繩、吊帶均采用Link167單元進行模擬．玻璃鋼撐桿主要起撐開防護網(wǎng)作用，模擬過程中可不考慮．在斷裂電纜沖擊防護網(wǎng)系統(tǒng)過程中，尼龍繩材料屬于彈性纜索柔性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不能承受壓力，僅當繩索中有拉伸時，其力才不為0，該力定義如下[9]：

(2)

式中，ΔL為長度的變化，其值為當前長度(初始長度-偏置量)，剛度系數(shù)K定義為：

(3)

式中，A為繩索的截面積；loffset為偏置量，可以通過Link167單元的實參數(shù)加以定義．

表1　防護網(wǎng)系統(tǒng)繩索材料力學參數(shù)

4結(jié)果分析

4.1力學理論計算結(jié)果

由3.2中的分析，一牽一和一牽四工況下沖擊物的等效質(zhì)量分別是149 kg和490 kg．結(jié)合3.2中防護網(wǎng)材料的力學參數(shù)，文獻[14]，拉梅系數(shù)選取1 000．由上文知，導(dǎo)線的初始高度為0.5 m，初始速度為10 m/s，考慮公式(1)條件中初始速度為0，經(jīng)等效計算：

(4)

h0=0.5 m，Δh=v2/2g，v=10 m/s．

代入公式(1)中計算得：一牽一工況下防護網(wǎng)受到的最大沖擊力為115.729 0 kN；一牽四工況下防護網(wǎng)受到的最大沖擊力為255.926 6 kN．則固定端的最大受力分別為28.932 3 kN和63.981 7 kN．

4.2等效質(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)時固定端受力變化規(guī)律

斷裂電纜等效質(zhì)量塊沖擊跨越架防護網(wǎng)時，防護網(wǎng)系統(tǒng)主要通過尼龍繩防護網(wǎng)變形吸收并耗散能量，并將沖擊過程中的載荷傳遞到固定端，一般情況下，在沖擊速度相等的條件下，質(zhì)量塊質(zhì)量越大，防護網(wǎng)變形越大，固定端最大拉力也越大，質(zhì)量塊質(zhì)量越小，防護網(wǎng)變形越小，固定端最大瞬時拉力也越?。斮|(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)到最低點時，固定端的拉力最大，防護網(wǎng)回彈后，防護網(wǎng)固定端的拉力逐漸變小，多次的回彈與沖擊，固定端的拉力最終維持在一個較低的水平．圖6給出了質(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)到最低點時的圖像．

圖6　質(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)到最低點

通過有限元分析得到圖7～8．從圖7、8中可以看出，伴隨著防護網(wǎng)的變形，質(zhì)量塊在與防護網(wǎng)反復(fù)接觸過程中固定端的拉力不斷變化，在防護網(wǎng)達到最大變形時固定端拉力達到最大并開始減小，當質(zhì)量塊脫離防護網(wǎng)時，固定端的拉力趨于穩(wěn)定值．把質(zhì)量塊從下落開始到固定端拉力穩(wěn)定的時間稱為固定端拉力穩(wěn)定時間．圖7、8給出了不同工況下質(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)過程中固定端拉力時間曲線．

圖7　一牽一質(zhì)量塊沖擊固定端拉力時間曲線

圖8　一牽四質(zhì)量塊沖擊固定端拉力時間曲線

由質(zhì)量塊沖擊防護網(wǎng)固定端的拉力時間曲線可以看出，質(zhì)量塊在與防護網(wǎng)接觸時固定端拉力變化非?？?，不同工況下固定端拉力從零增加到最大值時間基本控制在0.35 s以內(nèi)，且隨著質(zhì)量塊的反彈，固定端的拉力逐漸減小并趨于穩(wěn)定．接著，質(zhì)量塊第二次沖擊防護網(wǎng)，而此時固定端最大拉力顯著減小，如此多次反復(fù)沖擊，直到質(zhì)量塊最終穩(wěn)定置于防護網(wǎng)上，固定端拉力維持在一個恒定水平，說明防護網(wǎng)系統(tǒng)對質(zhì)量塊沖擊的緩沖作用較好．

4.3等效棒料沖擊防護網(wǎng)時固定端受力變化規(guī)律

質(zhì)量塊沖擊時考慮的是集中載荷作用于防護網(wǎng)上，實際中斷裂電纜沖擊初始接觸為集中載荷沖擊的線性均布載荷作用過程，該過程的分析將斷裂電纜等效為相等質(zhì)量的長條形棒料，沖擊過程中保證防護網(wǎng)整體不發(fā)生穿透破壞，僅在棒料端部發(fā)生局部穿透，圖9給出了棒料沖擊防護網(wǎng)到最低點圖像，圖10、11給出了在不同工況下，不同質(zhì)量的棒料沖擊防護網(wǎng)的固定端拉力時間曲線．

圖9　棒料沖擊防護網(wǎng)到最低點

圖10　一牽一棒料沖擊固定端時間拉力曲線

圖11　一牽四棒料沖擊固定端時間拉力曲線

由棒料與防護網(wǎng)沖擊過程中防護網(wǎng)固定端拉力時間曲線可以看出，從棒料與防護網(wǎng)開始接觸到?jīng)_擊至最低點，固定端的拉力從零迅速增至最大，隨著棒料的反彈，固定端的拉力逐漸減小，且在一個較低水平輕微波動，直到棒料第二次沖擊防護網(wǎng)，固定端的拉力再次出現(xiàn)較大增幅，但相對第一次增幅明顯減小，如此多次反復(fù)沖擊，直到最后棒料穩(wěn)定置于防護網(wǎng)上，固定端拉力值不再變化．

表2　不同工況下固定端的最大相對拉力值對比

從表2提供的不同工況下質(zhì)量塊、棒料沖擊防護網(wǎng)固定端最大相對拉力可知，當沖擊物的質(zhì)量和形狀不同時，沖擊過程中防護網(wǎng)固定端的峰值拉力不相同．質(zhì)量塊的模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果接近，從模型上知道，理論計算針對的是落石，而棒料的模擬仿真結(jié)果值偏小，從等效代替的效果來看棒料與實際情況更加符合，兩者的誤差都在允許的范圍內(nèi)．

5結(jié)論

通過對柔性體之間的碰撞問題的研究得出如下結(jié)論：

1)落石沖擊力的計算公式能比較有效地解決電纜沖擊防護網(wǎng)的力學計算問題，考慮到?jīng)_擊過程中能量的損失，計算結(jié)果會有一定的偏大．

2)用等效替代的方法能夠較好地模擬仿真計算出柔性體之間碰撞沖擊的沖擊力，驗證了理論計算的準確性，很好地解決了傳統(tǒng)力學分析難以計算的問題，為柔性體對跨越架防護網(wǎng)沖擊分析提供了參考．

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[責任編輯張莉]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.018

收稿日期：2016-03-14

基金項目：國家自然科學基金項目(51205230，51405264)；湖北省自然科學基金項目(2015CFB445)；湖北省教育廳項目(B201548)；三峽大學研究生科研創(chuàng)新基金項目(2015CX042)

通信作者：陳保家(1977-)，男，副教授，博士，研究方向為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及可靠性評估與壽命預(yù)測等．E-mail：cbjia@163.com

中圖分類號：TH113.2+2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)03-0081-05

Analysis of the Impact of Equivalent Model of Flexible Cable on Crossing Pole Protective Net

Chen Baojia1,2Zhu Chenxi1,2Zhou Youhui1,2Tong Guan1,2Zhang Songhua3

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. Hubei Electric Power Engineering Company, Wuhan 430000, China)

AbstractAiming at the problem of flexible cable impact flexible object, this paper takes the crossing pole protective net as the research object and uses the algorithm proposed by Japanese Road Association, and the relevant test data on impact force calculation. By theoretical calculation, the fixed end force of the protective net frame is calculated. Using ANSYS/LS-DYNA software to establish the finite element equivalent model of fault cable impact protection network system, and then the fixed end force of the protective net frame is calculated. In the equivalent model, the fault cable is replaced by the mass and the stick. The fixed end forces under different conditions are calculated respectively. So that the problem of the impact force of flexible body which is hard to calculate is solved. The results provide a basis for designing crossing poles.

Keywordscrossing pole protective net system;broken transmission cables;mass block;metal bar;fixed end force