不同金具結(jié)構(gòu)對(duì)碳纖維導(dǎo)線性能的影響

王東偉，魏 桐

（1.國(guó)家電投山東分公司，山東 濟(jì)南 250002；2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

特高壓工程具有輸電容量大、傳輸距離遠(yuǎn)和輸送損耗小等特點(diǎn)，可大大提升我國(guó)電網(wǎng)的輸送能力［1-3］。為提高特高壓工程輸送容量，其輸電線路須采用新型輸電導(dǎo)線。劉燕［4］等人對(duì)某新型耐熱鋁合金導(dǎo)線的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得到該導(dǎo)線性能優(yōu)于普通鋁合金導(dǎo)線的結(jié)論，并通過數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了其安全運(yùn)行的可能性。王新營(yíng)［5］等人分析了含有碳纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)線芯棒的力學(xué)、熱老化和熱膨脹等性能，為復(fù)合芯棒的生產(chǎn)提供了參考與基礎(chǔ)。董罡［6］闡述了一種采用鋁包覆結(jié)構(gòu)制造生產(chǎn)的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，并通過多種試驗(yàn)方法說明了該導(dǎo)線具有較好的機(jī)械與電學(xué)性能，該碳纖維導(dǎo)線如圖1 所示。

圖1 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線

金具作為架空輸電線路中不可缺少的裝置，主要包括耐張線夾、接續(xù)金具和防護(hù)金具等［7-8］，考察這些裝置對(duì)導(dǎo)線性能的影響十分重要。黃學(xué)能［9］等人采用包括射線技術(shù)在內(nèi)的多種試驗(yàn)方法對(duì)某耐張線夾的斷裂問題進(jìn)行研究，認(rèn)為鋁套管液壓定位不準(zhǔn)確是事故發(fā)生的主要原因。王習(xí)武［10］等人對(duì)3 種懸垂線夾的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元法分析，指出預(yù)絞式懸垂線夾能改善導(dǎo)線的應(yīng)力梯度，降低最大應(yīng)力。谷俊秀［11］分析了碳纖維導(dǎo)線配套特殊楔形金具的特點(diǎn)以及相關(guān)實(shí)際應(yīng)用。劉洪正［12］嘗試采用液壓式新型金具對(duì)碳纖維導(dǎo)線進(jìn)行安裝并通過試驗(yàn)手段開展驗(yàn)證，以達(dá)到在施工過程中減小對(duì)碳纖維芯棒損傷的目標(biāo)。

針對(duì)以上內(nèi)容提及的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、新型液壓式金具以及傳統(tǒng)楔形金具，基于有限元分析方法［13-14］，應(yīng)用靜力學(xué)計(jì)算平臺(tái)，對(duì)兩種不同連接方式的金具進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并對(duì)碳纖維導(dǎo)線在金具作用下的力學(xué)性能開展對(duì)比分析。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

1.1 模型建立

傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線配套金具的主要結(jié)構(gòu)為楔形夾和楔形夾座，而新型液壓式金具的主要結(jié)構(gòu)為平行壓接管。液壓式金具與楔形金具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，對(duì)比可知兩者的主要區(qū)別是新型液壓式金具不再使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的楔形連接構(gòu)件，而是在導(dǎo)線芯棒部分采用液壓壓接方式進(jìn)行連接［12］。

圖2 液壓式金具與楔形金具結(jié)構(gòu)

根據(jù)型號(hào)為JLRX1／F2A-800／70 新型碳纖維導(dǎo)線、液壓式NY-800 碳纖維耐張線夾以及楔形JY-400／80 耐張線夾的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維物理建模。碳纖維導(dǎo)線的具體參數(shù)如表1 所示，兩種耐張線夾的具體參數(shù)如表2 所示，模型如圖3 所示。

1.2 參數(shù)及邊界條件設(shè)定

如圖3 所示，計(jì)算模型從內(nèi)至外依次為碳芯、鋁包覆及金具結(jié)構(gòu)。模型中各材料均假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性，耐張線夾、鋁包覆材料設(shè)置為鋁合金，芯棒材料設(shè)定為碳纖維。材料的具體參數(shù)如表3所示。

表1 碳纖維導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

表2 兩種耐張線夾的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖3 兩種耐張線夾的計(jì)算模型

表3 模型各部分的材料參數(shù)

針對(duì)上述基于耐張線夾與導(dǎo)線鋁包覆結(jié)構(gòu)接觸后所建立的計(jì)算模型，為了對(duì)比不同金具結(jié)構(gòu)對(duì)碳纖維導(dǎo)線力學(xué)性能的影響，在兩種耐張線夾的外側(cè)面均施加80 MPa 的周向壓強(qiáng)。同時(shí)，模型兩端的邊界條件設(shè)置為固定端約束，即限制模型兩端各方向的位移與旋轉(zhuǎn)。通過相關(guān)設(shè)置，液壓式耐張線夾計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量分別為13 774 和2 578，楔形耐張線夾計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)量分別為10 626和2 266?；陟o力學(xué)計(jì)算平臺(tái)對(duì)各模型開展數(shù)值模擬，并對(duì)新型碳纖維導(dǎo)線碳芯部分、鋁包覆結(jié)構(gòu)和金具的力學(xué)特性進(jìn)行分析探究。

2 兩種金具對(duì)導(dǎo)線力學(xué)性能的影響分析

基于上述建立的物理模型和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在兩種金具的作用下結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力及變形的數(shù)值，如表4 所示。

表4 兩種金具中各結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性

由表4 的計(jì)算結(jié)果可知，3 個(gè)部件表面上最大應(yīng)力與最大變形較高值均出自楔形連接方式模型。對(duì)比兩種金具作用下的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓接方式作用下各部件上的最大應(yīng)力和變形均小于楔形連接方式。表明在導(dǎo)線物理參數(shù)以及所受外力相同的情況下，新型液壓式金具減小了碳纖維導(dǎo)線上的應(yīng)力，說明液壓式金具的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)楔形方式。

作為新型碳纖維導(dǎo)線的重要特點(diǎn)，鋁包覆結(jié)構(gòu)的應(yīng)用一定程度上提高了碳纖維導(dǎo)線的性能，同時(shí)也為液壓式金具的使用提供了可能性。選取2 種模型中碳纖維導(dǎo)線鋁包覆結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力及變形分布進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4 和圖5 所示。

圖4 液壓式模型中鋁包覆的應(yīng)力及總變形分布

從二者的應(yīng)力分布圖可以看出，在相同外力作用下，采用壓接方式時(shí)，鋁包覆表面的最大應(yīng)力約為38.8 MPa，而楔形結(jié)構(gòu)對(duì)鋁包覆產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為104.9 MPa，兩者相差較大，說明液壓壓接方式很大程度上優(yōu)化了鋁包覆表面的應(yīng)力。從圖4 和圖5中還可以看出，壓接情況下鋁包覆的應(yīng)力分布較為均勻，僅存在很小的梯度變化。而楔形金具中鋁包覆表面的應(yīng)力梯度較大，均勻性較差，存在明顯的應(yīng)力集中，這增大了碳纖維導(dǎo)線發(fā)生斷裂的可能性。

圖5 楔形模型中鋁包覆的應(yīng)力及總變形分布

對(duì)比總變形分布可知，壓接方式的最大變形約為4.3 μm，楔形方式的最大變形約為9.7 μm，說明前者可以有效降低鋁包覆的變形程度。從分布情況上來看，楔形方式鋁包覆中間部分的變形明顯大于兩端，而壓接方式的總變形分布較楔形連接方式的總變形分布更為均勻。綜合考慮兩種模型的力學(xué)特性，說明在壓接方式金具的作用下，碳纖維導(dǎo)線中鋁包覆表面的力學(xué)性能更為優(yōu)越，也說明該金具可以更好保護(hù)導(dǎo)線的完整性。

進(jìn)一步對(duì)兩種模型中碳纖維導(dǎo)線芯棒的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，碳芯表面的應(yīng)力與變形分布云圖如圖6 和圖7 所示。

圖6 液壓式模型中碳芯的應(yīng)力及總變形分布

圖7 楔形模型中碳芯的應(yīng)力及總變形分布

從應(yīng)力分布圖中可知，在相同外力作用下，采用壓接方式時(shí)，碳棒表面的最大應(yīng)力約為52.2 MPa，而楔形模型中碳芯的最大應(yīng)力約為66.1 MPa，前者較后者下降了約21%，說明液壓式金具有效優(yōu)化了碳纖維導(dǎo)線芯棒表面的應(yīng)力。從應(yīng)力分布圖可以看出，前者的應(yīng)力分布較為均勻，梯度變化不大，少有應(yīng)力集中現(xiàn)象。而楔形連接方式下碳棒表面的應(yīng)力分布具有較大的梯度，增加了碳棒自身斷裂的概率，將嚴(yán)重影響碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的性能。由總變形云圖可知，壓接方式碳棒的最大變形約2.8 μm，而傳統(tǒng)方式的最大變形約為8.6 μm，后者明顯高于前者，說明楔形金具會(huì)使碳棒發(fā)生很大的變形。就分布情況而言，壓接方式的總變形較為均勻，楔形金具中碳棒的中間部分變形明顯大于兩端。結(jié)合應(yīng)力的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在新型液壓式金具的作用下，碳纖維導(dǎo)線芯棒表面的力學(xué)性能優(yōu)于楔形連接方式。

綜合考慮應(yīng)力與變形的對(duì)比分析結(jié)果、金具的制造工藝以及施工安裝的難度，可以發(fā)現(xiàn)新型液壓式金具不僅能有效降低工程應(yīng)用中對(duì)碳纖維導(dǎo)線的損傷，減小架空導(dǎo)線事故發(fā)生的概率，更能降低制造生產(chǎn)成本，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)效益和工作效率。

3 結(jié)語

針對(duì)某新型碳纖維導(dǎo)線、新型液壓式金具以及傳統(tǒng)楔形金具，通過建立三維計(jì)算模型，采用有限元分析方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。液壓壓接方式下各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形均小于傳統(tǒng)楔形連接方式，同時(shí)新型液壓式金具可以降低碳棒表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明采用壓接方式的金具具有較好的力學(xué)性能，可以更好地保證碳纖維導(dǎo)線的完整性。新型液壓式金具采用壓接管替代了傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線金具較為復(fù)雜的楔形結(jié)構(gòu)，降低了在施工過程中發(fā)生安全故障的概率，提高了金具安裝的效率，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。