碗頭掛板的有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

冷檔定 丁曉亮 徐有巖 吳鵬

摘 要：本文以WS-7-01型碗頭掛板為研究對(duì)象，采用ANSYS Workbench進(jìn)行了有限元分析，確定了正確的有限元模型，并且根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了雙碗頭金具，顯著降低了碗頭應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：碗頭掛板;有限元分析;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0050-02

Abstract： This paper took WS-7-01 socket clevis as the research object， and the correct finite element model was determined by ANSYS Workbench. Based on the analysis results， the structure was improved and the double socket fittings were designed， the stress of double socket fittings decreased significantly.

Keywords： socket clevis;finite element analysi;structural improvement

碗頭掛板是輸電線路中用于連接懸垂線夾與絕緣子串的一種重要連接金具[1，2]，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)斷裂和掉串事故[3，4]，因此，需要對(duì)碗頭掛板進(jìn)行應(yīng)力分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。本文通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)江蘇捷凱電力器材有限公司生產(chǎn)的WS-7-01型碗頭掛板進(jìn)行有限元分析，計(jì)算靜載作用下碗頭掛板的應(yīng)力，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果做對(duì)比，確保有限元計(jì)算的可靠性，以此對(duì)碗頭掛板提出改良方案。

1 碗頭掛板的有限元分析

根據(jù)實(shí)際碗頭掛板的尺寸，利用SolidWorks三維造型軟件對(duì)其進(jìn)行建模，如圖1（a）所示。

有限元分析屬于線性靜力結(jié)構(gòu)分析，對(duì)于各向同性的材料只需要定義彈性模量（楊氏模量）和泊松比。碗頭掛板和球頭掛環(huán)的材料為22Si2MnCrNi2MoA鋼，材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

有限元建模網(wǎng)格的劃分形式對(duì)計(jì)算精度以及計(jì)算的模型將產(chǎn)生直接影響。隨著網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量增加，計(jì)算精度也會(huì)相對(duì)有所提高。因此，本文采取了細(xì)分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后生成71 844個(gè)節(jié)點(diǎn)和40 935個(gè)單元，有限元模型如圖1（b）所示。

在球頭掛環(huán)的上端面施加固定約束，限制所有自由度?？紤]到碗頭掛板的實(shí)際工作情況及企業(yè)的需求，施加載荷為100kN。通過(guò)有限元計(jì)算，得出碗頭掛板受載后的正面和側(cè)面應(yīng)力云圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，碗頭掛板的整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力為1 138.6MPa，位于與碗頭掛板接觸面，此處屬于應(yīng)力集中，不予考慮，除此處外最大應(yīng)力位于碗頭掛板大端向小端過(guò)渡處，最大值為502.8MPa，整體應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

2 碗頭掛板的應(yīng)力測(cè)試

為了確保有限元計(jì)算的可靠性，在碗頭掛板上選取4個(gè)點(diǎn)，貼上應(yīng)變片，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。各測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)試值與有限元計(jì)算值如表1所示。

由表1可知，總體測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果較吻合，誤差在5%以下，具有較好的一致性，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，也為下一步碗頭掛板的優(yōu)化分析提供了依據(jù)。

3 碗頭掛板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上述分析可知，最大應(yīng)力位于碗頭掛板的碗頭和掛板的過(guò)渡處，碗頭座的側(cè)壁中間部位的應(yīng)力比較小。因此，考慮將碗頭和掛板的過(guò)渡圓角及碗頭座內(nèi)腔側(cè)壁與底部的過(guò)渡圓角做R8圓角過(guò)渡處理，將碗頭座的內(nèi)腔側(cè)壁的中間腰部切去3mm，其余不變。通過(guò)有限元計(jì)算，得出優(yōu)化后的碗頭掛板受載后的正面和側(cè)面應(yīng)力云圖，如圖4所示。

由圖4碗頭掛板的應(yīng)力云圖可知，將碗頭和掛板的過(guò)渡圓角及碗頭座內(nèi)腔側(cè)壁與底部的過(guò)渡圓角做R8圓角過(guò)渡處理，并且將碗頭座的內(nèi)腔側(cè)壁的中間腰部切去3mm后，碗頭和掛板的過(guò)渡處應(yīng)力由502.82MPa下降到408.67MPa，其余位置應(yīng)力變化不大，碗頭掛板質(zhì)量從0.118kg降到了0.108kg，整體優(yōu)化效果明顯。

以上分析的碗頭掛板應(yīng)力最大處在碗頭座和掛板過(guò)渡處，而且容易出現(xiàn)球頭從球窩中脫落的現(xiàn)象，因此，設(shè)計(jì)了一種雙碗頭連接金具，三維模型如圖5所示。

由圖6可知，雙碗頭掛板整體應(yīng)力下降很多，特別體現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)，下降了606.8MPa。除應(yīng)力集中外，雙碗頭掛板最大應(yīng)力為587.91MPa，比原來(lái)下降了27.17MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析軟件對(duì)碗頭掛板進(jìn)行應(yīng)力分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定正確的有限元模型。根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了雙碗頭金具，顯著降低了碗頭應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏光國(guó).國(guó)有電力金具企業(yè)現(xiàn)狀分析及改進(jìn)建議[J].科技傳播，2011（23）：65-66.

[2]候仁保.電力線路金具的展望[J].供用電，2001（5）：24-26.

[3]張宏志，李樹(shù)陽(yáng).500kV線路耐張雙聯(lián)碗頭斷裂原因分析[J].東北電力技術(shù)，2007（9）：22-25.

[4]李生平，王志惠，何喜梅，等.青海電網(wǎng)金具失效分析研究[J].青海電力，2011（2）：17-19.