基于有限元的法蘭設計優(yōu)化

張三春++付春++劉輝++徐玉波

摘 要：針對復合橫擔中的支柱絕緣子在運行中主要受彎曲力和壓力的特點，并結合支柱絕緣子的抗彎試驗結果，對其進行有限元計算，并對法蘭結構進行優(yōu)化分析，得出優(yōu)化結果，更新法蘭設計。計算結果表明，法蘭設計裕度較大，通過優(yōu)化，其質量只有優(yōu)化前的48.9%，節(jié)省了成本并減輕了橫擔重量。

關鍵詞：支柱復合絕緣子 法蘭優(yōu)化 復合橫擔

中圖分類號：TH703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0080-02

支柱絕緣子作為組成復合橫擔結構的支撐元件，其承載力和重量是設計中重要考慮的因素。目前對于高電壓等級復合橫擔中的支柱絕緣子，其連接形式主要通過法蘭與其他結構相連。法蘭結構的設計對于支柱絕緣子的受力及電氣性能都有著重要影響，法蘭的膠裝高度、壁厚，加強筋的高度、數(shù)量及厚度都是影響其承載力和重量的重要因素。根據現(xiàn)有支柱絕緣子結構及抗彎試驗結果，該文建立支柱絕緣子模型并對其進行受力分析，最后對法蘭結構進行優(yōu)化，得出優(yōu)化結果和相關結論，為法蘭的設計提供依據。

1 橫擔結構與試驗結果

1.1 橫擔與試品結構

該次試驗取自國家電網公司科技項目“110kV220kV輸電線路復合橫擔工程應用研究”220kV復合橫擔中的支柱絕緣子，主要由支柱絕緣子和拉索通過法蘭及連接件連接后與塔身相連，支柱絕緣子主要由法蘭、纖維增強復合材料絕緣筒（簡稱絕緣筒）和傘裙組成，絕緣筒與法蘭之間通過膠黏劑粘結。

1.2 支柱復合絕緣子抗彎試驗結果

對支柱絕緣子進行抗彎試驗，一端通過螺栓固定在抗彎試驗機上，另一端加載豎直方向的力，當力的值達到12.8 kN時，開始有聲響，破壞現(xiàn)象為絕緣筒拔出，法蘭完好無損，當力加載到37.18 kN，法蘭破壞。

2 有限元分析及法蘭優(yōu)化

2.1 有限元分析

根據絕緣筒拔出時另一端法蘭上加載的力，通過力矩等效到模型中固定端法蘭上，對模型進行非線性分析，得到絕緣筒拔出時，膠黏劑上的最大應力32.5 MPa，已超出許用應力值25 MPa。而法蘭上最大應力只有236.2 MPa，并沒有接近其屈服應力345 MPa，說明法蘭的強度還存在較大的裕度?，F(xiàn)在對法蘭進行優(yōu)化，優(yōu)化目標使絕緣筒破壞時，法蘭上的最大應力接近其屈服應力，并且使其質量達到最小。

2.2 法蘭優(yōu)化設計

優(yōu)化設計用式子表示為：

Min （1）

s.t.≥0 （2）

優(yōu)化設計具有3個方面的要素，即設計變量，目標函數(shù)和約束條件。設計變量是設計者可以根據要求而改變的可控制的量。目標函數(shù)根據具體的要求分為以下幾種：

（1）使結構的質量最小。

（2）使結構的強度或剛度最大。

（3）使結構的可靠性最大。

約束條件分為兩類：一類是設計變量可選擇的范圍，另一類是功能性限制條件。

在Simulation中進行優(yōu)化分析需確定設計變量、設計約束和目標函數(shù)。

（1）設計變量。

根據整個橫擔承載力要求，復合絕緣管的尺寸是給定的，則法蘭的內徑是固定的。需要優(yōu)化的變量包括壁厚d1，膠裝高度d2、加強筋高度d3、壁厚d4、加強筋厚度d5、加強筋數(shù)量n共6個變量。

（2）設計約束。

約束條件共2個，包括法蘭最大應力接近345 MPa，膠黏劑最大應力接近25 MPa。

（3）目標函數(shù)。

使法蘭質量最小化。

在Simulation中對法蘭結構進行優(yōu)化，算法流程如下：

①使用Simulation定義初始算例。

②選擇算例質量。

③使用參數(shù)定義離散、連續(xù)變量。

④使用傳感器定義約束和目標。

⑤查看結果，更新實體和圖解。

⑥優(yōu)化結果不滿足要求，轉向①。

⑦調整結果并完善設計。

經過51次優(yōu)化及迭代，得到優(yōu)化結果如表1所示。

從表1中看出優(yōu)化后的法蘭最大應力326.186 MPa，接近其屈服強度345 MPa。另外得出膠黏劑上的最大應力23.78 MPa，接近許用應力25 MPa。

根據結果，給出優(yōu)化的法蘭設計圖，并將優(yōu)化前后的法蘭進行對比計算，法蘭質量由原來的50.5 kg減少到24.743 kg，優(yōu)化后的法蘭重量只有優(yōu)化前的48.9%。

3 結語

優(yōu)化后的法蘭重量僅為優(yōu)化前的48.9%，節(jié)省了大量材料。法蘭的優(yōu)化不僅使質量得到優(yōu)化，結構的承載力也相應得到優(yōu)化，而且計算結果可靠，提高了設計效率。

參考文獻

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