基于ANSYS Workbench楔形耐張線夾的有限元分析

楊浩隆，唐 靜，付彬彬

（永固集團股份有限公司，浙江 樂清 325600）

自“西電東送”建設(shè)以來，我國的輸配電技術(shù)發(fā)展迅速，但隨著時間的推移，電力金具的質(zhì)量問題也逐漸顯露。電力金具的質(zhì)量直接決定著整個輸配電是否能有效運作，而合理的設(shè)計是電力金具質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，它能提高輸電線路的運行穩(wěn)定性。常用的電力金具設(shè)計采用二維制圖，但無法直觀地觀察到電力金具因尺寸而引起的問題，隨著設(shè)計形式從二維向三維的變革[1]，如此不僅解決了尺寸干涉問題，還可以進一步采用有限元分析軟件，提前預(yù)估在外界環(huán)境作用下的力學(xué)問題。目前，在電力金具的設(shè)計上已見相關(guān)應(yīng)用，王曉輝[2]研究了U型掛環(huán)的靜、動態(tài)特性，為工作人員日常維護提供理論指導(dǎo)；王益博[3]研究了均壓環(huán)在不同風(fēng)荷下的應(yīng)力分布及變形情況，并給出了提高和保障均壓環(huán)質(zhì)量的建議；蔡猛昌[4]研究了碗頭掛板的應(yīng)力分布，提出碗頭掛板的改進方案，達(dá)到了提高強度和節(jié)省材料的目的。為驗證楔形耐張線夾設(shè)計的可靠性，本文是基于Ansys中的集成平臺Workbench對其進行研究。

1 楔形耐張線夾的設(shè)計

楔形耐張線夾屬于電力金具中的拉線金具一類，主要用于固定拉線桿塔。其設(shè)計要點為以下3點：

第一，楔形耐張線夾發(fā)生斷裂的位置一般在掛耳處，可適當(dāng)?shù)卦龃髵於幍谋诤?，或者可以考慮增加加強筋，增強其強度；

第二，楔形耐張線夾的殼體設(shè)計較為重要，可能發(fā)生的缺陷為殼體開裂，因此該部分的內(nèi)圓弧應(yīng)光滑過渡，壁厚均勻，保證受力均勻；

第三，楔形耐張線夾的板厚要足以承受一定數(shù)值的載荷，具體數(shù)值可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》。

2 楔形耐張線夾力學(xué)分析

2.1 顯式動力學(xué)分析

將拉伸斷裂試驗過程的計算作為動態(tài)問題進行處理，可以更加方便地分析整個拉伸過程中楔形耐張線夾的形變以及應(yīng)力分布的變化。顯式算法相較于隱式算法有更好的穩(wěn)定性，不須要進行平衡迭代，故采用顯式動力學(xué)分析方法。

2.2 模型建立

在三維建模軟件Solidworks 中建立楔形耐張線夾模型，如圖1 所示。為便于有限元模型的建立，將三維模型中的工藝圓角去掉，采用六面體網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2所示，并賦予鋁合金材料屬性，鋁合金材料的力學(xué)特性如表1 表示，其余性能參數(shù)參考Workbench材料庫中的默認(rèn)設(shè)置。

圖1 楔形耐張線夾

圖2 網(wǎng)格劃分

表1 材料屬性

2.3 邊界條件設(shè)置

模擬拉伸試驗真實的受力情況，將楔形耐張線夾的B 端用夾具固定，A 端與螺栓連接，并將140、145以及150 kN的拉力值施加于螺栓，如圖3所示。

圖3 拉力施加

2.4 求解結(jié)果分析

由圖4及圖5可知，楔形耐張線夾在拉力范圍為140～145 kN的作用下，應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在殼體的尾端下部中心位置，在145 kN時，掛耳處開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會發(fā)生斷裂現(xiàn)象；當(dāng)拉力值達(dá)到150 kN 時，如圖6 所示，在掛耳處出現(xiàn)大面積的應(yīng)力集中，且其應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在該部分，為380.02 MPa，該處的應(yīng)力值均超出鋁合金材料的抗拉強度，發(fā)生斷裂現(xiàn)象，由此可知，楔形耐張線夾的破壞載荷為145～150 kN。

圖4 140 kN-應(yīng)力分布

圖5 145 kN-應(yīng)力分布

圖6 150 kN-應(yīng)力分布

3 拉伸試驗

制作楔形耐張線夾樣品，并將其固定于拉伸試驗機，啟動試驗機，按照圖7 所示的拉力曲線進行施加載荷，加壓至152 kN時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在掛耳處斷裂，如圖8 所示，且在尾端型腔內(nèi)表面有壓痕，如圖9所示。

圖7 拉伸曲線

圖8 斷裂位置

圖9 壓痕

斷裂位置與上述仿真結(jié)果相符，實際拉斷力為150 kN，仿真拉斷力值為145～150 kN，仿真誤差值大致為4.6%，可見產(chǎn)品的仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，產(chǎn)品模型可以用于后續(xù)研究。

4 結(jié)束語

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》的要求，其握力強度要求是導(dǎo)線計算拉斷力的90%。上述產(chǎn)品的標(biāo)稱破壞載荷是88 kN，工況系數(shù)選擇1.2，可得產(chǎn)品承受至少為105.6 kN的拉力且沒有斷裂。根據(jù)實驗結(jié)果，最后的拉斷力為150 kN，產(chǎn)品的力學(xué)性能符合要求，設(shè)計合理。同時，其破壞載荷值遠(yuǎn)大于105.6 kN，由此可以對產(chǎn)品進行進一步的減材，在滿足性能指標(biāo)的同時，致使其耗材量最少，以達(dá)到經(jīng)濟效益最佳的目的。