電力金具U型環(huán)基于有限元軟件的疲勞壽命研究

（新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830000）

0 引言

輸電導(dǎo)線是電能輸送的命脈，而直接承載著輸電導(dǎo)線的金具則是確保電網(wǎng)穩(wěn)定工作的重要部分，其耐磨性能在特高壓輸電線路中顯得尤為重要[1]。導(dǎo)線、金具、絕緣子等長期露置在自然環(huán)境中，易受各種氣象條件（如大風(fēng)、覆冰雪、氣溫變化、雷擊等）的侵襲，化學(xué)氣體的腐蝕以及外力的破壞，出現(xiàn)故障的幾率較高[2]。作為輸電線路中最為龐雜的一類元件，金具主要用于支撐、固定和接續(xù)裸導(dǎo)線、導(dǎo)體及絕緣子串，也可用于保護導(dǎo)線和絕緣子[3,4]。如若在輸電線路運行的過程中，出現(xiàn)金具的疲勞失效而導(dǎo)致掉線，或者金具與導(dǎo)線發(fā)生相對運動而產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致的斷線，會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、人民安定生活帶來很大的影響，所以近年來，國內(nèi)外學(xué)者對金具的研究日益增多[5～8]。U型環(huán)的疲勞壽命分析對電力金具的正常運行顯得尤為重要，絕大多數(shù)材料在正常使用狀態(tài)下重復(fù)荷載作用，但是隨著應(yīng)力的反復(fù)作用，發(fā)生疲勞破壞的事故越來越多，疲勞破壞是機械零件等工程機構(gòu)失效的主要原因之一，并且發(fā)生突然，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。疲勞是指材料在應(yīng)力（應(yīng)變）長期反復(fù)作用下發(fā)生損傷和斷裂的現(xiàn)象，在變動載荷下造成的稱之為機械疲勞。傳統(tǒng)的疲勞壽命檢測方法就是利用樣機進行試驗，多次重復(fù)進行，這樣會耗費大量的資金和時間，所以國內(nèi)外學(xué)者利用有限元仿真的簡潔性，對疲勞壽命的分析做了大量研究。張新等人就利用ANSYS Workbench軟件對重卡前軸進行了強度分析以及對疲勞壽命進行了預(yù)測分析[9]；范永斌等人就以數(shù)值仿真分析方法為基礎(chǔ)，利用ANSYS Workbench軟件對貨叉進行疲勞壽命分析[10]；

本文應(yīng)用了有限元的分析方法，在NX9.0軟件中建立了電力金具U型環(huán)的有限元模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進行力學(xué)分析，獲得U型環(huán)的應(yīng)力圖，利用U型環(huán)材料Q235鋼的N-S曲線，獲得U型環(huán)的理論試驗方程，通過計算可以得到U型環(huán)最小壽命次數(shù)，再使用有限元分析獲取最小壽命的模擬值，最終對試驗值和模擬值進行分析比較。

1 U型環(huán)的前處理

1.1 U型環(huán)模型的建立

本文主要是為了分析U型環(huán)之間摩擦接觸的應(yīng)力變化情況，按照U型環(huán)接觸的實際模型建立模型。在NX9.0里建立，U型環(huán)模型的直徑為10mm，U型環(huán)兩端的長度為40mm。圖1為U型環(huán)的模型。

圖1 U型環(huán)的模型

1.2 U型環(huán)的材料及相關(guān)性能

對U型環(huán)進行力學(xué)性能試驗和整體承載能力試驗，對U型環(huán)制備成五個標(biāo)準(zhǔn)試樣，利用電子伺服萬能試驗機獲得試樣的力學(xué)性能，利用臥式電液伺服拉力試驗機獲取U型環(huán)的破壞載荷。試驗設(shè)置如下圖所示，圖2為臥式電液伺服拉力試驗機，圖3為U型環(huán)的破壞載荷試驗。

圖2 臥式電液伺服拉力試驗機

圖3 破壞載荷試驗

通過試驗可以獲得U型環(huán)的材料性能均滿足Q235鋼的要求，所獲材料的力學(xué)性能及破壞載荷值如下圖所示。表1為U型環(huán)材料力學(xué)性能及實物破壞載荷實驗結(jié)果。

表1 力學(xué)性能及實物破壞載荷實驗結(jié)果

1.3 U型環(huán)的S-N曲線

S-N曲線是交變應(yīng)力S與疲勞壽命N之間的建立的關(guān)系，反映了外荷載與疲勞壽命之間的聯(lián)系。當(dāng)U型環(huán)受到重復(fù)循環(huán)的荷載作用而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力幅被稱為材料的疲勞極限。通過傳統(tǒng)疲勞測試方法在恒幅應(yīng)力下進行疲勞試驗，可得到S-N曲線，如表4所示，通過表4擬合的的方程式，LogN=24.088-7.829Logσa可計算出疲勞壽命所對應(yīng)的的疲勞極限。表2為U型環(huán)材料的S-N曲線。

圖4 U型環(huán)材料的S-N曲線

LogN=24.088-7.829Logσa，其中N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，σa為交變應(yīng)力。

1.4 U型環(huán)的邊界條件設(shè)置和載荷條件的定義

設(shè)置上下U型環(huán)的摩擦系數(shù)為0.1。然后對上下U型環(huán)進行了Sweep掃掠劃分網(wǎng)格，設(shè)置上下U型環(huán)的網(wǎng)格尺寸為2mm，對上下U型環(huán)的接觸區(qū)域進行了加密處理，其余部分網(wǎng)格進行適當(dāng)放大，可在保證精度的同時增加計算效率。接觸區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5mm生成了195822個節(jié)點與44914個單元數(shù)量的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的模型如下圖所示。本文以電力金具的U型環(huán)為研究對象，U型環(huán)在實際工作中，上U型環(huán)兩端截面積施加載荷，下U型環(huán)施加固定端約束。圖4為U型環(huán)的網(wǎng)格劃分圖。

圖5 U型環(huán)的網(wǎng)格劃分圖

2 U型環(huán)的疲勞結(jié)果分析

對U型環(huán)進行疲勞分析之前先靜力學(xué)分析，利用靜力學(xué)分析可以得到U型環(huán)的應(yīng)力分布情況，然后確定上U型環(huán)的應(yīng)力最大處。上U型環(huán)的靜力學(xué)分析如圖5所示。

圖6 上U型環(huán)靜力學(xué)分析

由上圖可以看出上U型環(huán)的應(yīng)力最大處在接觸區(qū)域靠近兩側(cè)的區(qū)域，這是因為上U型環(huán)的兩端的截面處承載著向下的載荷，所以最大應(yīng)力出現(xiàn)在接觸區(qū)域的兩側(cè)，然后利用probe獲取上U型環(huán)應(yīng)力最大區(qū)域?qū)?yīng)的不同應(yīng)力值。上U型環(huán)對應(yīng)的應(yīng)力值分別為431.91MPa、433.16MPa、434.33MPa、434.8MPa、436.07MPa、436.31MPa。

完成U型環(huán)的靜力學(xué)分析之后，利用疲勞后處理FATIGUE模塊獲取U型環(huán)結(jié)構(gòu)的疲勞分析，U型環(huán)在0.4T載荷作用下最大應(yīng)力區(qū)域的循環(huán)次數(shù)分布云圖如圖6所示。

圖7 U型環(huán)最大應(yīng)力區(qū)域的循環(huán)次數(shù)

Life（循環(huán)次數(shù)）等值線圖可以得出，上U型環(huán)的最小壽命均出現(xiàn)在上下U型環(huán)的接觸區(qū)域，在接觸區(qū)域的疲勞壽命比較低，最小壽命的區(qū)域即就是最大應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域，同樣利用probe獲取上U型環(huán)最小疲勞壽命對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)分別為2067.2、2235.5、2435.5、2546.1、2647.3次，再通過利用實驗數(shù)據(jù)獲得理論方程進行計算獲取上U型環(huán)最小疲勞壽命對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)分別為2511、2570、2691、2754、2818次，分析比較模擬值與實驗值。圖8為最小壽命磨損次數(shù)的磨損值與實驗值對比。

圖8 最小壽命磨損次數(shù)的磨損值與實驗值對比

ANSYS Workbench模擬結(jié)果和理論計算的結(jié)果可以看出，模擬結(jié)果與實驗值較為接近，兩者的趨勢大致相同，兩者的值誤差很小，這也驗證了有限元軟件ANSYS Workbench在力學(xué)模擬方面以及結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析方面具有準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié)論

本文通過ANSYS Workbench對上下U型環(huán)進行了疲勞分析，得到了U形環(huán)的應(yīng)力云圖，以及上下U型環(huán)接觸區(qū)域是疲勞區(qū)域最嚴(yán)重的的區(qū)域，所以要時刻關(guān)注U型環(huán)接觸區(qū)域的磨損，定期對U型環(huán)進行檢查和更換。

通過理論方程對最小疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)和模擬值進行擬合，可以得出分析結(jié)果極為相近，由此可以得出ANSYS Workbench在疲勞分析中具有可行性，并且此有限元軟件具有操作方便，重復(fù)性強，可以為U型環(huán)的疲勞分析提供參考。