基于ANSYS的鋁合金NUT線夾設(shè)計及試驗驗證

羅雪成

摘要：針對鋁合金NUT線夾受力分析，以NUT-2為研究對象，利用ANSYS有限元分析軟件建立NUT-2有限元分析模型，結(jié)合Workbench平臺分析了NUT-2受力后的應(yīng)力及變形情況，并對其進(jìn)行試驗驗證。結(jié)果表明，試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，且采用鋁合金后，NUT-2線夾本體和楔子重量比鑄鐵件降低約63%，對輸電線路節(jié)能減重具有重要意義。

關(guān)鍵詞：NUT線夾;ANSYS;有限元;受力分析;節(jié)能減重

1 引言

電力金具是輸電線路中大量使用的，用于連接電力系統(tǒng)各裝置的金屬附件。近年來，隨著我國輸電線路電壓等級不斷提高，對電力金具材料和性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電力金具材質(zhì)主要以鑄鐵和鑄鋼為主，但鐵質(zhì)金具重量大、鑄造和熱鍍鋅過程環(huán)境污染嚴(yán)重，且在線路運(yùn)行過程中產(chǎn)生磁滯和渦流，造成線路能量損耗。因此，開發(fā)綠色、環(huán)保、節(jié)能金具是電力行業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。

鋁合金由于其密度低、比強(qiáng)度比剛度高，耐腐蝕性好、電磁屏蔽型好等優(yōu)點，引起金具行業(yè)廣泛關(guān)注。20世紀(jì)80年代，我國首次在500kV線路中推行了鋁合金金具。到目前為止，國內(nèi)330～500kV線路均已采用鋁合金金具，但在35～110kV線路中還大量使用鐵質(zhì)金具[1-3]，NUT線夾就屬于其中一種。開發(fā)和使用鋁合金NUT線夾，對輸電線路節(jié)能減重、綠色環(huán)保具有一定的積極作用。

2 有限元法及ANSYS軟件介紹

有限元法是目前工程領(lǐng)域中最常用的數(shù)值模擬方法，其分析的基本步驟是，前處理、模型的加載和求解以及后處理。前處理是指建立實際結(jié)構(gòu)件的有限元模型、定義模型的單元屬性、模型的網(wǎng)格劃分;模型的加載和求解是指模型的實際工況，對有限元模型進(jìn)行載荷的加載和邊界條件的約束并進(jìn)行仿真;后處理是指將模擬結(jié)果提取出來，進(jìn)行分析。有限元法具有適應(yīng)性強(qiáng)、計算精度高等諸多優(yōu)點，是現(xiàn)代設(shè)計中分析靜力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的重要手段[4]。而ANSYS軟件是最通用的有限元分析軟件，基于與多數(shù)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，ANSYS軟件可以將圖形學(xué)和有限元分析結(jié)合一起，提供可靠的有限元分析結(jié)果，并顯示結(jié)構(gòu)件的變形圖和應(yīng)力云圖等[5]。

本文主要針對鋁合金NUT-2線夾的力學(xué)性能，運(yùn)用ANSYS軟件的有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，使鋁合金NUT-2線夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計不再單純依靠經(jīng)驗進(jìn)行，對結(jié)構(gòu)的分析也不僅憑試驗情況來確定。將有限元分析與試驗結(jié)果相結(jié)合，利用ANSYS軟件提供的可視化技術(shù)實時觀察計算分析結(jié)果，全面掌握鋁合金NUT-2線夾的受力情況，更好的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。

3 鋁合金NUT線夾產(chǎn)品設(shè)計

NUT線夾屬于拉線金具，用于桿塔和地錨之間連接、固定和調(diào)整拉線，其最基本的要求是要有良好的力學(xué)性能保證足夠的破壞載荷。如圖1所示，線夾本體與楔子接觸面和螺栓孔眼處是主要的承力部位，受到較大破壞載荷時可能發(fā)生斷裂，與其相連接的塔桿在不平衡拉力作用下，可能發(fā)生倒塔事故，嚴(yán)重威脅線路運(yùn)行的安全。分析線夾本體與楔子接觸面和螺栓孔力學(xué)性能，確保UT線夾通過力學(xué)性能試驗，對保證輸電線路安全具有重要意義。

根據(jù)以上公式可以確定鋁合金NUT線夾的主要眼孔尺寸和本體厚度，其余尺寸可根據(jù)其設(shè)計規(guī)范依次確定，但采用公式的計算理論值往往與實際值有一定差距，設(shè)計人員往往需要根據(jù)計算值和以往的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。本次設(shè)計利用ANSYS軟件提供的可視化技術(shù)實時觀察計算分析結(jié)果，全面掌握鋁合金NUT線夾的受力情況，更好優(yōu)化鋁合金NUT線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 鋁合金NUT線夾受力情況仿真分析

4.1 鋁合金NUT線夾相關(guān)參數(shù)

鋁合金NUT線夾（可調(diào)式）主要參數(shù)如下表1所示。選取NUT-2線夾進(jìn)行模擬，額定載荷88kN，適用鋼絞線外徑9～11mm。

4.2 鋁合金NUT-2線夾計算模型

NUT-2線夾主要由線夾本體、楔子和U型螺絲等部分組成，為便于計算，將NUT-2的原始模型進(jìn)行簡化，其結(jié)構(gòu)簡化過程為：將U型螺栓及螺母的螺紋進(jìn)行簡化，U型螺栓長度并不影響線夾本體及螺栓孔受力，將其長度進(jìn)行減縮，楔子不直接和本體進(jìn)行接觸，將鋼絞線和楔子簡化為一個整體楔子，簡化后楔子外形尺寸和適用鋼絞線直徑范圍保持一致。這些簡化對結(jié)構(gòu)分析的影響可以忽略不計，模型的簡化可以極大地減少計算量，得到最終計算模型如下圖所示。

4.3 模型材料參數(shù)的確定

鋁合金NUT-2線夾模型主要構(gòu)成部分，線夾本體的材料為鋁合金ZL101A，螺栓螺母及簡化后的楔子（鋼絞線和實際楔子整體）均采用Q235，其力學(xué)性能參數(shù)如下表2所示。

4.4 有限元模型建立

將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并設(shè)置接觸對。為避免計算冗余，使用workbench平臺中自動探測各模型體之間的接觸對并生成，得到結(jié)果共生成3個接觸對，其信息如下表3所示。

在ANSYS workbench平臺中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格控制，為提高計算效率，對線夾部分和框架部分均采用Path Independent劃分四面體網(wǎng)格，用Element Size控制網(wǎng)格單元尺寸3mm，得到有限元網(wǎng)格模型如下圖5所示。結(jié)果共生成270037個節(jié)點，170080個單元。

4.5 模型載荷及邊界條件

NUT-2在實際線路使用過程中，受到的載荷主要在鋼絞線的一端和U型螺栓上，為方便計算，在模型的楔子前表面施加NUT-2額定載荷88kN的力，在螺栓兩個端面，施加固定約束，用于模擬NUT-2在實際受力情況下，線夾本體及螺栓眼孔的應(yīng)力變化，如下圖6所示。

4.6 NUT-2仿真分析計算結(jié)果

經(jīng)過ANSYS軟件計算分析，得到NUT-2變形云圖結(jié)果如下圖7所示。

NUT-2應(yīng)力云圖結(jié)果如下圖8所示。

由分析結(jié)果可以看出，NUT-2在工作過程中應(yīng)力較大部位出現(xiàn)在線夾本體內(nèi)側(cè)，該處應(yīng)力達(dá)到254.2MPa，螺栓孔和本體相接觸的部位應(yīng)力集中也較明顯，該部位收到的最大應(yīng)力200.58MPa。模擬結(jié)果比較真實反映了NUT-2在正常服役情況下的應(yīng)力及變形情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了比較真實的理論依據(jù)。

5 鋁合金NUT-2試驗驗證

5.1 鋁合金NUT-2破壞載荷試驗

NUT-2線夾額定破載為88kN，考慮到1.2倍安全系數(shù)以及本體和線夾在鑄造過程中由于縮孔縮松等缺陷導(dǎo)致的抗拉強(qiáng)度±5%，其理論上設(shè)計值為105.6kN。NUT-2適用鋼絞線外徑為φ9-11mm，經(jīng)查閱資料可知，直徑9mm鋼絞線最小破斷拉力57.8kN，直徑10.5mm鋼絞線最小破斷拉力78.6kN，其值小于NUT-2額定破載88kN，因此在破載試驗過程中，仍然將鋼絞線和楔子簡化為一個外形在9-11mm之間的楔子，材質(zhì)為Q235。試驗過程如下圖9所示。

試驗過程中將其拉壞，破載試驗結(jié)果如下表4所示。

試驗后鋁合金NUT-2線夾本體如下圖所示，上表中1#、2#產(chǎn)品破壞處在線夾本體與楔子接觸處，如下圖10（b）所示，3#產(chǎn)品破壞出在螺栓孔眼處，如下圖10（a）所示。

試驗結(jié)果表明線夾本體受力集中在本體和楔子接觸處和螺栓孔眼處，且線夾本體和楔子接觸處更容易破壞，這與有限元分析的該處受到應(yīng)力比螺栓孔處更大結(jié)果一致。經(jīng)過ANSYS分析，更加清晰結(jié)構(gòu)件的受力大小，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了比較真實的理論依據(jù)，增加結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性。

5.2 鋁合金和鑄鐵NUT-2線夾重量對比

鋁合金NUT-2線夾本體和楔子以及鑄鐵件重量如下表5所示。由下表可知，NUT線夾本體和楔子采用鋁合金材質(zhì)后，重量均減少約63%。由破載試驗結(jié)果可知，鋁合金強(qiáng)度滿足NUT線夾使用要求。鋁合金自身具有良好的防腐性能，不需要熱鍍鋅，減少環(huán)境的污染。因此，使用鋁合金替代鑄鐵件，對輸電線路節(jié)能減重、綠色環(huán)保具有重要的意義。

6 結(jié)論

本文介紹了鋁合金NUT線夾本體主要受力部位以及理論計算方法。

（2）利用ANSYS有限元分析軟件實現(xiàn)了鋁合金NUT線夾有限元模型的建立，并在ANSYS軟件Workbench平臺中，分析了NUT-2線夾的力學(xué)性能，分析結(jié)果反應(yīng)了NUT-2線夾應(yīng)力及變形情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了比較真實的理論依據(jù)。

（3）本文對NUT-2模擬結(jié)果進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果和ANSYS分析結(jié)果一致，ANSYS為鋁合金UT線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計提供比較真實的理論依據(jù)，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

（4）本文采用鋁合金NUT線夾代替鑄鐵件，性能滿足要求，重量減少約63%，對輸電線路節(jié)能減重、綠色環(huán)保具有重要的意義。

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