電力金具數(shù)值模擬分析中單元劃分的影響

鄭欣,楊迎春

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

電力金具數(shù)值模擬分析中單元劃分的影響

鄭欣,楊迎春

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

介紹通過有限元分析方法模擬機械部件在運行狀態(tài)下的應(yīng)力數(shù)值,用此方法模擬金具工作狀態(tài)時應(yīng)力分布,有助于金具失效分析工作。列舉了兩個金具的失效實例,討論了平面單元和實體單元運用于金具有限元分析的選擇標準。

電力金具;失效分析;數(shù)值模擬

1 前言

電力金具作為輸電線路重要結(jié)構(gòu)連接件,在各個等級輸電線路中負責(zé)導(dǎo)地線與桿塔、導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與絕緣子等部件之間的連接。各類金具廣泛采用螺栓連接、壓接等各種連接形式,外形復(fù)雜,安裝位置及狀態(tài)靈活多變,受力狀態(tài)復(fù)雜。在金具的受力分析過程中,有限元方法可以有效的對金具工作狀態(tài)的應(yīng)力分布進行數(shù)值模擬[1-4]。各類金具中,掛環(huán)、連板等大多數(shù)金具屬于簡單的實體結(jié)構(gòu),其分析方法比較簡單,而各種螺栓型耐張線夾和船型線夾等均屬于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有大面積復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的類型。該類型金具幾何形狀比較復(fù)雜,面積與壁厚比較大。對這類金具進行應(yīng)力數(shù)值模擬分析時,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊獑卧獎澐址绞?可以有效的提高分析效率和數(shù)值模擬精度。以下列舉了不同結(jié)構(gòu)的金具失效案例以及有限元方法在案例分析中應(yīng)用,提出了有限元分析方法應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)金具時所需注意的因素。

2 失效案例

1)某500 kV線路的OPGW光纖使用鋁制船型線夾吊掛,進入覆冰季節(jié)后該船型線夾多次出現(xiàn)斷裂失效。對失效線夾樣品進行失效分析,金具表面未見顯著損傷和塑性變形。對金具材質(zhì)的分析表明材質(zhì)符合標準要求,在其斷裂截面上未找到導(dǎo)致失效的缺陷。

2)某新建10 kV線路螺栓型耐張線夾在線路投運后多次發(fā)生斷裂,斷裂線夾表面未見機械損傷,未見塑性變形,斷面位置未見可導(dǎo)致線夾斷裂的缺陷。

對以上兩案例中涉及的線夾進行有限元建模分析,還原其工作中的受力狀態(tài)。有限元模型建模及分析均使用有限元分析軟件Algor進行。

3 有限元分析

由于失效線夾缺乏相應(yīng)的外形圖紙材料,所有線夾的外形幾何參數(shù)均通過手工測繪獲得。依照測繪數(shù)據(jù),使用Algor軟件繪制相應(yīng)的CAD模型。生成的模型見圖2。生成的模型在Algor軟件中進行網(wǎng)格劃分,文中所涉及的分析中,單元劃分密度均設(shè)定為60%。

圖1 CAD模型

對實例一模型進行有限元網(wǎng)格劃分。船型線夾整體為均勻的鑄造鋁薄壁,整個線夾厚度約為5 mm。其外形為多個復(fù)雜曲面連續(xù)構(gòu)成。首次分析時采取塊體單元進行網(wǎng)格劃分,基本單元采用六面體單元。模型被劃分為16 946個單元。根據(jù)金具實際運行情況,對模型施加限制條件與模擬載荷后進行分析,應(yīng)力分布結(jié)果如圖2所示。圖中顏色越偏向紅色,則該區(qū)域的應(yīng)力值越大。其應(yīng)力集中位置與線夾實際斷裂失效位置差異較大。

圖2 塊體單元應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)線夾為基本均勻的薄壁結(jié)構(gòu)的特點,該模型也適用于采用平面單元作為分析單元。在采用平面單元的情況下,模型在厚度方向上的應(yīng)力分布將被忽略?？紤]到線夾具有較大的面積/厚度比,假設(shè)應(yīng)該是可以接受。提取模型中位面作為平面單元劃分基準。完成劃分后,共劃分9 973個平面單元網(wǎng)格,由于忽略了模型厚度,參與運算的單元數(shù)量遠低于采用塊體單元進行分析。施加限制條件與模擬載荷后進行有限元分析,分析結(jié)果見圖3。

圖3 平面單元應(yīng)力分析結(jié)果

與圖2對比,平面單元分析結(jié)果更好的符合了線夾實際斷裂情況,在實例一的分析中,平面單元能夠很好的適應(yīng)復(fù)雜連續(xù)曲面的分析需要。同時,由于平面單元的劃分數(shù)量遠小于塊體單元,且單個平面單元的計算量小于塊體單元,采用平面單元進行分析在分析效率和結(jié)果精度上都具有優(yōu)勢。

實例二所述螺栓型線夾同樣具有大面積薄壁特征,其厚度及整體外形尺寸與案例一相近。同樣采用案例一所用的兩種單元劃分方法進行分析。分析結(jié)果見圖4及圖5,其中圖4采用六面體塊體單元作為基本單元進行分析,劃分為6 052個單元,圖5采用平面單元分析,劃分為6 430個單元。對比分析結(jié)果,平面單元的分析結(jié)果明顯與實際案例斷裂位置不同,而采用六面體單元進行分析則很好的反映了實際斷裂位置的應(yīng)力集中情況。

圖4 塊體單元分析結(jié)果

圖5 平面單元分析結(jié)果

對于實例一與實例二在分析過程中出現(xiàn)的差別,主要原因在于兩種線夾外形結(jié)構(gòu)上的差別。雖然二者均以厚度均勻的大面積薄壁結(jié)構(gòu)作為主體,但對于螺栓型線夾,其螺栓安裝孔位置厚度不均勻性大,表面結(jié)構(gòu)不連續(xù)。工作過程中,此部位受到螺栓緊固力和導(dǎo)線摩擦力的同時作用。如對其采用平面單元分析,不能反映該位置的幾何結(jié)構(gòu)特征,分析結(jié)果將出現(xiàn)較大偏差。案例一整體為較為平滑的連續(xù)曲面,因此采用平面單元可以很好的反應(yīng)其結(jié)構(gòu)幾何特征,分析也可以取得較好的效果。

4 結(jié)束語

通過對兩種具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)的線夾采用兩種單元劃分進行有限元分析,比較了不同單元劃分方法對分析結(jié)果和效率的影響。分析結(jié)果表面,船型線夾等表面連續(xù)性好的薄壁結(jié)構(gòu)金具,采用平面單元即可較好的進行分析,表面的復(fù)雜程度不影響平面單元的使用。而對于螺栓型線夾,由于螺栓安裝孔等位置表面連續(xù)性較差,雖然整體厚度均勻且同樣具備大面積的薄壁結(jié)構(gòu),依然不適合采用平面單元進行分析。對于薄壁金具而言,連續(xù)的復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)并不妨礙采用平面單元分析。金具表面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,例如突出的螺栓安裝孔位等,才是有限元分析時選擇單元形式應(yīng)考慮的決定因素。

[1] 王習(xí)武,薛志方.基于有限元法的懸垂線夾力學(xué)性能分析[J].水電能源科學(xué),2011,11.

[2] 鞠彥忠,蔣菲,王德弘,等.基于接觸非線性的金具安全銷極限承載力分析 [J].水電能源科學(xué),2012,7.

[3] 孔偉,成印健,胡坤岐,等.500 kV輸電線路新型防振金具 [J].科技導(dǎo)報,2012,30.

[4] 張麗,高強,任超,等.大跨越輸電塔絕緣子金具的靜風(fēng)載荷分析 [J].蘇州大學(xué)學(xué)報 (工科版),2009,06.

近日,日本開發(fā)出一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了振動發(fā)電設(shè)備與無線傳感器,不需要電池與電線,能夠?qū)⑹覂?nèi)人的走動以及設(shè)備機器所產(chǎn)生的環(huán)境振動轉(zhuǎn)換成電力。

目前,該公司的技術(shù)研究所中使用了該系統(tǒng),進行了辦公空間溫濕度調(diào)節(jié)實驗。該實驗利用空調(diào)導(dǎo)管的微振動來調(diào)節(jié)辦公空間的溫度與濕度,證實了該系統(tǒng)的實際運轉(zhuǎn)效果。下一步,竹中工務(wù)店將與設(shè)備制造商協(xié)商業(yè)務(wù)合作問題,致力于將該技術(shù)與系統(tǒng)進行商業(yè)推廣。

這種系統(tǒng)不需要布線或者使用電池--這一直是引入和操作多個傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用障礙--而且可以容易地構(gòu)造系統(tǒng)。此外,通過由該系統(tǒng)構(gòu)建的系統(tǒng)監(jiān)控,可以實現(xiàn)環(huán)境的可視化。例如,在示范試驗的溫濕度監(jiān)測的辦公空間里,它可以反映出每個辦公室空調(diào)運轉(zhuǎn)的溫度和濕度等數(shù)據(jù),每個辦公室都可以連接到建筑物被統(tǒng)一運作,以確保舒適度和滿意度,并可以節(jié)約能源。

目前,該技術(shù)獲得了日本工程協(xié)會研究所的 “工程師引文鼓勵特別獎”。它不僅可以用在民用建筑領(lǐng)域,如監(jiān)測建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施等,在防災(zāi)、防盜、運輸和分銷領(lǐng)域也有應(yīng)用的潛在性和通用性。(信息來源：北極星電力網(wǎng)新聞中心)

Effect of Mesh Method on Strain Numerical Simulation for Electric Fittings

ZHENG Xin,YANG Yingchun
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

electric fittings are applied as connectors between structure parts.Caused by its complicate contour,it is difficult to analyze the strain situation while it happen failure or accident.Finite element analysis method is effective in simulating the strain field of mechanical parts.It is helpful to failure analysis with application of finite element analysis in electric fittings.In this paper,the criterion of mesh is discussed by analyzing two examples of failure electric fittings.

electric fittings;failure analysis;numerical simulation

TM76

B

1006-7345(2014)01-0071-03

2013-10-21

鄭欣 (1984),男,工程師,云南電網(wǎng)電力研究院,主要從事電網(wǎng)、電廠重要部件失效分析工作 (e-mail)ssbn2000@sina.com。

楊迎春 (1976),男,高級工程師,云南電網(wǎng)公司電力研究院,主要從事電網(wǎng)、電廠重要部件失效分析工作。