朱振洋++單強(qiáng)++譚靖++周楠

摘 要：通過有限元軟件msc.marc對不同鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料管進(jìn)行屈曲分析，并對500 kV復(fù)合橫擔(dān)塔進(jìn)行受力分析，得出左橫擔(dān)中支柱絕緣子所受的最大軸力和彎矩，并將軸力和彎矩分別加載至支柱絕緣子的實體模型中，計算鋪層結(jié)構(gòu)各層最大應(yīng)力，得出絕緣筒鋪層結(jié)構(gòu)各層應(yīng)力相差不能太大。

關(guān)鍵詞：支柱復(fù)合絕緣子 鋪層結(jié)構(gòu) 復(fù)合橫擔(dān)

中圖分類號：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0081-02

復(fù)合橫擔(dān)作為支撐輸電線路運行的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鐵塔相比，由于自身絕緣性能，取消了懸垂絕緣子串，桿塔受風(fēng)載荷影響減小，呼高顯著降低，縮小了走廊寬度，使得整塔重量減輕，基礎(chǔ)作用力也相應(yīng)減小，提升了安全性能，同時具有耐腐蝕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，免維護(hù)、可設(shè)計性好等優(yōu)點。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能如剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都與鋪層結(jié)構(gòu)有關(guān)，支柱復(fù)合絕緣子作為構(gòu)成復(fù)合橫擔(dān)的重要元件，在復(fù)合橫擔(dān)運行中主要受軸向壓力和彎矩作用，因此，研究支柱絕緣子鋪層結(jié)構(gòu)對其承載力的影響對復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計及研發(fā)有著重要意義。

1 復(fù)合絕緣管的屈曲分析

國家電網(wǎng)公司科技項目“110kV220kV輸電線路復(fù)合橫擔(dān)工程應(yīng)用研究”220 kV復(fù)合橫擔(dān)中的中相支柱絕緣子，其復(fù)合絕緣管內(nèi)徑300 mm，外徑320 mm，長度4 169 mm，復(fù)合絕緣管的力學(xué)性能見表1。給定鋪層數(shù)14層，共給出8種鋪層結(jié)構(gòu)。根據(jù)復(fù)合絕緣管一般的鋪層結(jié)構(gòu)，前2層一般采用90°鋪層，因此前6種結(jié)構(gòu)前2層采用90°鋪層，后面根據(jù)不同的角度組合進(jìn)行鋪層。為了進(jìn)行比較，給出全部小角度鋪層和結(jié)構(gòu)八內(nèi)外兩層采用90°鋪層，中間采用小角度鋪層，具體鋪層結(jié)構(gòu)如下：

當(dāng)彈性模量為35 GPa時，泊松比為0.3，剪切模量為16 GPa；當(dāng)彈性模量為5 GPa時，泊松比為0.3，剪切模量為16 GPa；當(dāng)彈性模量為5 GPa時，泊松比為0.1，剪切模量為3 GPa；

由于復(fù)合絕緣管兩端膠裝法蘭，膠裝部分提高了絕緣管的剛度，在對絕緣管進(jìn)行屈曲分析時，對膠裝部分橫向位移進(jìn)行一定的約束，并對絕緣管一端端部固定，另一端施加軸向壓力，總壓力值5 000 N。通過msc.marc軟件，選用75號shell單元，采用lanczos法進(jìn)行屈曲分析。

不同鋪層結(jié)構(gòu)的屈曲載荷相差很大，計算結(jié)果如下：

鋪層結(jié)構(gòu)為[902/（±5）6]，一階模態(tài)特征值為652.4，屈曲載荷（kN）為3 262；鋪層結(jié)構(gòu)為[902/（±45）6]，一階模態(tài)特征值為343.44，屈曲載荷（kN）為1 717；鋪層結(jié)構(gòu)為[902/（±60）6]，一階模態(tài)特征值為221.8，屈曲載荷（kN）為1 109；鋪層結(jié)構(gòu)為[902/（±5/±45）3]，一階模態(tài)特征值為584.4，屈曲載荷（kN）為2 922；鋪層結(jié)構(gòu)為[902/（±5/±60）3]，一階模態(tài)特征值為522.7，屈曲載荷（kN）為2 613.5，5種鋪層結(jié)構(gòu)均能滿足穩(wěn)定性要求。

2 整塔的受力計算

對220 kV復(fù)合橫擔(dān)塔進(jìn)行整體建模，塔身部分是角鋼材料，橫擔(dān)部分為復(fù)合支柱絕緣子與拉索的組合。對塔底部進(jìn)行固定，施加對復(fù)合橫擔(dān)受力影響較大的工況，即錨左下導(dǎo)線。根據(jù)工況條件，左下橫擔(dān)受力最大，其水平方向、順線路方向和豎直方向的載荷分別為：4.95 kN、10.41 kN和93.34 kN。計算得到左下橫擔(dān)中支柱復(fù)合絕緣子的軸力為107 kN，彎矩為22 kN·m。

3 軸向壓力作用下不同鋪層結(jié)構(gòu)的受力計算

支柱復(fù)合絕緣子由絕緣管和兩端法蘭構(gòu)成，法蘭與絕緣管采用膠黏劑進(jìn)行連接。建立支柱復(fù)合絕緣子實體模型，對一端法蘭盤進(jìn)行固定，另一端施加107 kN的壓力，采用有限元軟件msc.marc對不同鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，各鋪層結(jié)構(gòu)及計算得到各層最大應(yīng)力見表1。

根據(jù)表中的計算結(jié)果可知，各層應(yīng)力均能滿足絕緣管的抗壓強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

對于屈曲載荷來說，絕緣管最內(nèi)端采用大角度鋪層，其他部分采用小角度鋪層的結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性最好。對于受壓力和彎曲作用的絕緣管最內(nèi)端宜采用大角度，中間部分宜采用小角度進(jìn)行鋪層。絕緣筒鋪層結(jié)構(gòu)各層應(yīng)力相差不能太大，防止絕緣筒在運行時內(nèi)壁應(yīng)力大于其他層首先出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

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