电力金具数值模拟分析中单元划分的影响

郑欣,杨迎春

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

电力金具数值模拟分析中单元划分的影响

郑欣,杨迎春

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

介绍通过有限元分析方法模拟机械部件在运行状态下的应力数值,用此方法模拟金具工作状态时应力分布,有助于金具失效分析工作。列举了两个金具的失效实例,讨论了平面单元和实体单元运用于金具有限元分析的选择标准。

电力金具;失效分析;数值模拟

1 前言

电力金具作为输电线路重要结构连接件,在各个等级输电线路中负责导地线与杆塔、导线与导线、导线与绝缘子等部件之间的连接。各类金具广泛采用螺栓连接、压接等各种连接形式,外形复杂,安装位置及状态灵活多变,受力状态复杂。在金具的受力分析过程中,有限元方法可以有效的对金具工作状态的应力分布进行数值模拟[1-4]。各类金具中,挂环、连板等大多数金具属于简单的实体结构,其分析方法比较简单,而各种螺栓型耐张线夹和船型线夹等均属于几何结构复杂,具有大面积复杂曲面结构的类型。该类型金具几何形状比较复杂,面积与壁厚比较大。对这类金具进行应力数值模拟分析时,根据结构特点选择适当的有限元单元划分方式,可以有效的提高分析效率和数值模拟精度。以下列举了不同结构的金具失效案例以及有限元方法在案例分析中应用,提出了有限元分析方法应用于不同结构金具时所需注意的因素。

2 失效案例

1)某500 kV线路的OPGW光纤使用铝制船型线夹吊挂,进入覆冰季节后该船型线夹多次出现断裂失效。对失效线夹样品进行失效分析,金具表面未见显著损伤和塑性变形。对金具材质的分析表明材质符合标准要求,在其断裂截面上未找到导致失效的缺陷。

2)某新建10 kV线路螺栓型耐张线夹在线路投运后多次发生断裂,断裂线夹表面未见机械损伤,未见塑性变形,断面位置未见可导致线夹断裂的缺陷。

对以上两案例中涉及的线夹进行有限元建模分析,还原其工作中的受力状态。有限元模型建模及分析均使用有限元分析软件Algor进行。

3 有限元分析

由于失效线夹缺乏相应的外形图纸材料,所有线夹的外形几何参数均通过手工测绘获得。依照测绘数据,使用Algor软件绘制相应的CAD模型。生成的模型见图2。生成的模型在Algor软件中进行网格划分,文中所涉及的分析中,单元划分密度均设定为60%。

图1 CAD模型

对实例一模型进行有限元网格划分。船型线夹整体为均匀的铸造铝薄壁,整个线夹厚度约为5 mm。其外形为多个复杂曲面连续构成。首次分析时采取块体单元进行网格划分,基本单元采用六面体单元。模型被划分为16 946个单元。根据金具实际运行情况,对模型施加限制条件与模拟载荷后进行分析,应力分布结果如图2所示。图中颜色越偏向红色,则该区域的应力值越大。其应力集中位置与线夹实际断裂失效位置差异较大。

图2 块体单元应力分析结果

根据线夹为基本均匀的薄壁结构的特点,该模型也适用于采用平面单元作为分析单元。在采用平面单元的情况下,模型在厚度方向上的应力分布将被忽略。考虑到线夹具有较大的面积/厚度比,假设应该是可以接受。提取模型中位面作为平面单元划分基准。完成划分后,共划分9 973个平面单元网格,由于忽略了模型厚度,参与运算的单元数量远低于采用块体单元进行分析。施加限制条件与模拟载荷后进行有限元分析,分析结果见图3。

图3 平面单元应力分析结果

与图2对比,平面单元分析结果更好的符合了线夹实际断裂情况,在实例一的分析中,平面单元能够很好的适应复杂连续曲面的分析需要。同时,由于平面单元的划分数量远小于块体单元,且单个平面单元的计算量小于块体单元,采用平面单元进行分析在分析效率和结果精度上都具有优势。

实例二所述螺栓型线夹同样具有大面积薄壁特征,其厚度及整体外形尺寸与案例一相近。同样采用案例一所用的两种单元划分方法进行分析。分析结果见图4及图5,其中图4采用六面体块体单元作为基本单元进行分析,划分为6 052个单元,图5采用平面单元分析,划分为6 430个单元。对比分析结果,平面单元的分析结果明显与实际案例断裂位置不同,而采用六面体单元进行分析则很好的反映了实际断裂位置的应力集中情况。

图4 块体单元分析结果

图5 平面单元分析结果

对于实例一与实例二在分析过程中出现的差别,主要原因在于两种线夹外形结构上的差别。虽然二者均以厚度均匀的大面积薄壁结构作为主体,但对于螺栓型线夹,其螺栓安装孔位置厚度不均匀性大,表面结构不连续。工作过程中,此部位受到螺栓紧固力和导线摩擦力的同时作用。如对其采用平面单元分析,不能反映该位置的几何结构特征,分析结果将出现较大偏差。案例一整体为较为平滑的连续曲面,因此采用平面单元可以很好的反应其结构几何特征,分析也可以取得较好的效果。

4 结束语

通过对两种具有大面积薄壁结构的线夹采用两种单元划分进行有限元分析,比较了不同单元划分方法对分析结果和效率的影响。分析结果表面,船型线夹等表面连续性好的薄壁结构金具,采用平面单元即可较好的进行分析,表面的复杂程度不影响平面单元的使用。而对于螺栓型线夹,由于螺栓安装孔等位置表面连续性较差,虽然整体厚度均匀且同样具备大面积的薄壁结构,依然不适合采用平面单元进行分析。对于薄壁金具而言,连续的复杂表面结构并不妨碍采用平面单元分析。金具表面结构的不连续性,例如突出的螺栓安装孔位等,才是有限元分析时选择单元形式应考虑的决定因素。

[1] 王习武,薛志方.基于有限元法的悬垂线夹力学性能分析[J].水电能源科学,2011,11.

[2] 鞠彦忠,蒋菲,王德弘,等.基于接触非线性的金具安全销极限承载力分析 [J].水电能源科学,2012,7.

[3] 孔伟,成印健,胡坤岐,等.500 kV输电线路新型防振金具 [J].科技导报,2012,30.

[4] 张丽,高强,任超,等.大跨越输电塔绝缘子金具的静风载荷分析 [J].苏州大学学报 (工科版),2009,06.

近日,日本开发出一种新的无线传感器网络系统。该系统包含了振动发电设备与无线传感器,不需要电池与电线,能够将室内人的走动以及设备机器所产生的环境振动转换成电力。

目前,该公司的技术研究所中使用了该系统,进行了办公空间温湿度调节实验。该实验利用空调导管的微振动来调节办公空间的温度与湿度,证实了该系统的实际运转效果。下一步,竹中工务店将与设备制造商协商业务合作问题,致力于将该技术与系统进行商业推广。

这种系统不需要布线或者使用电池--这一直是引入和操作多个传感器网络系统的使用障碍--而且可以容易地构造系统。此外,通过由该系统构建的系统监控,可以实现环境的可视化。例如,在示范试验的温湿度监测的办公空间里,它可以反映出每个办公室空调运转的温度和湿度等数据,每个办公室都可以连接到建筑物被统一运作,以确保舒适度和满意度,并可以节约能源。

目前,该技术获得了日本工程协会研究所的 “工程师引文鼓励特别奖”。它不仅可以用在民用建筑领域,如监测建筑物和基础设施等,在防灾、防盗、运输和分销领域也有应用的潜在性和通用性。(信息来源：北极星电力网新闻中心)

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

郑欣 (1984),男,工程师,云南电网电力研究院,主要从事电网、电厂重要部件失效分析工作 (e-mail)ssbn2000@sina.com。

杨迎春 (1976),男,高级工程师,云南电网公司电力研究院,主要从事电网、电厂重要部件失效分析工作。