柔性电缆等效模型对跨越架防护网的冲击响应分析

陈保家　朱晨希　周幼辉　童　冠　张松华

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌　443002； 3. 湖北省送变电工程公司， 武汉　430000)



柔性电缆等效模型对跨越架防护网的冲击响应分析

陈保家1，2朱晨希1，2周幼辉1，2童冠1，2张松华3

(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌443002； 2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌443002； 3. 湖北省送变电工程公司， 武汉430000)

摘要：针对柔性电缆碰撞冲击柔性体的问题．本文以跨越架防护网系统为研究对象，将日本道路公团算法以及有关试验数据基础上研究的落石冲击力计算方法应用在导线对防护网的冲击问题上，通过理论计算得出了防护网架体固定端的受力．同时利用ANSYS/LS-DYNA软件建立电缆冲击防护网系统的有限元等效模型．等效模型中以质量块和棒料代替等质量的断裂电缆．分别计算了不同工况条件下等效物体冲击柔性防护网时跨越架架体固定端的受力．仿真结果验证了理论计算的准确性．该计算有效解决了柔性体之间碰撞冲击力难以计算的问题，为跨越架的设计提供了受载分析的依据．

关键词：跨越架防护网；断裂电缆；质量块；棒料；固定端受力

柔性防护网常应用于工程中的崩塌落石防护的问题，以其防护级别高、防护效果好等优点，在公路行业得到了大量的推广运用．随着电力事业的飞速发展，输电线路不断增加，电网输变电工程施工中，新建输电线路往往会与已运行的高压输电线路、铁路及高速公路等被跨物在地理位置上产生交叉．新建线路导地线需要翻越被跨物[1-3]．在张力展放新建线路导地线及紧挂线时，为了确保该导地线与被跨物之间的安全距离，需要预先在两者之间搭设绝缘安全网也称之为防护网．随着不同类型的不停电式跨越架研究的飞速发展，针对不同跨越架中起安全防护作用的防护网的研究也得到了重视．计算机技术的飞速发展，数值模拟计算成为防护网动态冲击过程中非常有效的方法[4-6]．

本文借助于日本道路公团算法以及有关试验数据的基础上研究的落石冲击力计算方法，将冲击过程简化为落石冲击地面的过程，忽略冲击过程中的能量损失，通过理论经验公式计算了防护网架体的固定端受力．分别讨论输电线路施工过程中一牵一展放引绳断裂、一牵四展放引绳断裂后电缆冲击防护网的过程(一牵一工况即一根牵引绳连接牵引一根电缆放线时断绳，一牵四工况即一根牵引绳通过走板连接牵引四根电缆放线时断绳)．以迪尼玛绳作承载绳[7-10]，尼龙绳做防护网编织绳，研究冲击过程中两种不同工况下跨越架防护网固定端的受力情况．进一步，基于有限元方法和大型仿真模拟软件ANSYS/LS-DYNA来计算两种工况下跨越架固定端的受力情况，模拟仿真很好地验证了理论计算的准确性．为跨越架的设计提供了载荷依据．

1跨越架防护网系统

针对特高压工程典型线路和500 kV线路工程典型线路架线施工过程．输电线路张力架线施工中，当所展放的高张力牵引绳发生断裂时，其断开部分导线可能瞬间接触到跨越架，使跨越架架体固定端承受到较大冲击力．跨越架整体示图如图1所示，跨越架架体跨距为420 m，防护网位于跨越架中心位置．

图1　跨越架整体示图

跨越架防护网系统(如图2所示)主要由承载绳、循环绳、吊臂、小滑轮及迪尼玛绳网组成的柔性结构，承受并扩散施工中因牵引绳或导线断裂后冲击产生的冲击力，形成防护屏障，利用系统的柔性变形能力，延长并缓冲断裂电缆对跨越架的作用时间，大大削弱冲击力，同时不断扩散冲击动能，达到对跨越架下方物体的保护作用[11-13]．

图2　跨越架防护网系统结构图

跨越架防护网系统在断裂输电电缆冲击过程中主要通过迪尼玛绳网、承载绳及吊臂的张紧作用，来减小断裂电缆的最大瞬时冲击力，其中迪尼玛绳网是主要的能量扩散构件．迪尼玛绳网具有质量轻、强度高、高模量及很好的弹性内能吸收能力等特点．断裂电缆的能量大部分通过迪尼玛绳的张紧变形被吸收，少部分则通过吊臂、小滑轮传递给承载绳及循环绳，并最终连续的传递到跨越架架体上，减小对跨越架立柱的瞬时冲击．

2力学理论计算

柔性多体碰撞问题是传统力学中比较复杂的问题，针对本文中提出碰撞冲击问题，工况较为复杂．本文将电缆与柔性防护网的冲击过程简化，将电缆视作刚性体，因此问题简化为刚形体与柔性体碰撞的问题．将电缆等效为等质量的落石，柔性防护网等效为有一定厚度的缓冲土层．不考虑冲击过程中能量的损失．本文引入日本道路公团的关于落石冲击力计算的方法．

日本道路公团基于落石冲击力试验的实测数据和Hertz弹性碰撞理论[14]导出的落石自由落体情形下的最大冲击力计算公式为：

(1)

式中，P为落石最大冲击力(kN)；m为落石质量(t)；g为重力加速度取9.8 m/s2；λ为拉梅系数λ∈(1 000，10 000)(kg/m2)；H为落石初始高度(m)．拉梅系数λ与被冲击物的弹性系数及泊松比有关．

3数值计算模型和材料参数

3.1断裂电缆的基本模型和参数

当断裂输电电缆冲击防护网系统时，因整根电缆冲击的先后顺序不同，在防护网的拦截作用下，电缆与防护网接触前后主要有局部穿透和反弹两种状态，即电缆头部穿透防护网继续运动直到被另一端绳头拉住，或者被防护网直接弹回．就一般情况来说，断裂电缆下落过程中首先接触防护网的为带有走板的绳头，接着整根电缆陆续冲击防护网．考虑柔性电缆撞击防护网过程中，柔性体对柔性体冲击较为复杂，本文将分析过程简化，采用刚性体对柔性体的冲击方式代替，分别以等效质量的质量块和棒料来代替柔性输电电缆．为考察冲击过程中跨越架立柱固定端的受力情况，将从等效质量的质量块和棒料冲击防护网两个方面进行分析．在一牵一展放(如图3所示)跨距为420 m时，断裂电缆的等效冲击质量为149 kg，该质量是以型号为LGJ-500/45的电缆(线密度为ρ=1.69 kg/m)计算得到．在一牵四展放(如图4所示)跨距为420 m时，经计算，断裂电缆的等效冲击质量为490 kg，初始下降高度为0.5 m，冲击初始速度为10 m/s，其中等效质量块的基本尺寸为1 m×1 m×1 m，等效棒料的基本尺寸为40 m×0.2 m×0.125 m．数值模拟时质量块和棒料简化为刚性体，采用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID164实体单元和刚体模型，不考虑质量块和棒料在冲击过程的变形情况，同时忽略空气阻力作用，并假定质量块和棒料冲击过程中直接作用在防护网中心位置．

图3　一牵一展放布置图

图4　一牵四展放布置图

3.2跨越架防护网的基本模型和参数

输电线路跨越架防护网根据不同工作需要可以使用不同的类型．本次研究对象为单张防护网，其尺寸为16 m×8 m．安全网由粗细两种尼龙绳编制而成，主筋为φ20的粗绳，长度方向间距为4 m，宽度方向两外侧间隔2.5 m，由φ10细绳填满网格，间距为0.5 m．网上排列布置有多根玻璃钢管支撑杆，防止安全网发生枕形收缩．每端最外侧2根玻璃钢管支撑杆，由外向内依次内置一根φ8、φ16迪尼玛绳．绳索合理采用编织、绞制、套制等工艺，使防护网整体具有牢固、伸缩性小、美观、使用方便等特点(如图5所示)．防护网上方的承载绳采用φ22迪尼玛绳，吊带采用φ20尼龙绳，绳索具体参数见表1．

图5　防护网绳索具体布置图

数值模拟时跨越架防护网系统承载绳、防护网粗绳、细绳、吊带均采用Link167单元进行模拟．玻璃钢撑杆主要起撑开防护网作用，模拟过程中可不考虑．在断裂电缆冲击防护网系统过程中，尼龙绳材料属于弹性缆索柔性结构构件，不能承受压力，仅当绳索中有拉伸时，其力才不为0，该力定义如下[9]：

(2)

式中，ΔL为长度的变化，其值为当前长度(初始长度-偏置量)，刚度系数K定义为：

(3)

式中，A为绳索的截面积；loffset为偏置量，可以通过Link167单元的实参数加以定义．

表1　防护网系统绳索材料力学参数

4结果分析

4.1力学理论计算结果

由3.2中的分析，一牵一和一牵四工况下冲击物的等效质量分别是149 kg和490 kg．结合3.2中防护网材料的力学参数，文献[14]，拉梅系数选取1 000．由上文知，导线的初始高度为0.5 m，初始速度为10 m/s，考虑公式(1)条件中初始速度为0，经等效计算：

(4)

h0=0.5 m，Δh=v2/2g，v=10 m/s．

代入公式(1)中计算得：一牵一工况下防护网受到的最大冲击力为115.729 0 kN；一牵四工况下防护网受到的最大冲击力为255.926 6 kN．则固定端的最大受力分别为28.932 3 kN和63.981 7 kN．

4.2等效质量块冲击防护网时固定端受力变化规律

断裂电缆等效质量块冲击跨越架防护网时，防护网系统主要通过尼龙绳防护网变形吸收并耗散能量，并将冲击过程中的载荷传递到固定端，一般情况下，在冲击速度相等的条件下，质量块质量越大，防护网变形越大，固定端最大拉力也越大，质量块质量越小，防护网变形越小，固定端最大瞬时拉力也越小．当质量块冲击防护网到最低点时，固定端的拉力最大，防护网回弹后，防护网固定端的拉力逐渐变小，多次的回弹与冲击，固定端的拉力最终维持在一个较低的水平．图6给出了质量块冲击防护网到最低点时的图像．

图6　质量块冲击防护网到最低点

通过有限元分析得到图7～8．从图7、8中可以看出，伴随着防护网的变形，质量块在与防护网反复接触过程中固定端的拉力不断变化，在防护网达到最大变形时固定端拉力达到最大并开始减小，当质量块脱离防护网时，固定端的拉力趋于稳定值．把质量块从下落开始到固定端拉力稳定的时间称为固定端拉力稳定时间．图7、8给出了不同工况下质量块冲击防护网过程中固定端拉力时间曲线．

图7　一牵一质量块冲击固定端拉力时间曲线

图8　一牵四质量块冲击固定端拉力时间曲线

由质量块冲击防护网固定端的拉力时间曲线可以看出，质量块在与防护网接触时固定端拉力变化非常快，不同工况下固定端拉力从零增加到最大值时间基本控制在0.35 s以内，且随着质量块的反弹，固定端的拉力逐渐减小并趋于稳定．接着，质量块第二次冲击防护网，而此时固定端最大拉力显著减小，如此多次反复冲击，直到质量块最终稳定置于防护网上，固定端拉力维持在一个恒定水平，说明防护网系统对质量块冲击的缓冲作用较好．

4.3等效棒料冲击防护网时固定端受力变化规律

质量块冲击时考虑的是集中载荷作用于防护网上，实际中断裂电缆冲击初始接触为集中载荷冲击的线性均布载荷作用过程，该过程的分析将断裂电缆等效为相等质量的长条形棒料，冲击过程中保证防护网整体不发生穿透破坏，仅在棒料端部发生局部穿透，图9给出了棒料冲击防护网到最低点图像，图10、11给出了在不同工况下，不同质量的棒料冲击防护网的固定端拉力时间曲线．

图9　棒料冲击防护网到最低点

图10　一牵一棒料冲击固定端时间拉力曲线

图11　一牵四棒料冲击固定端时间拉力曲线

由棒料与防护网冲击过程中防护网固定端拉力时间曲线可以看出，从棒料与防护网开始接触到冲击至最低点，固定端的拉力从零迅速增至最大，随着棒料的反弹，固定端的拉力逐渐减小，且在一个较低水平轻微波动，直到棒料第二次冲击防护网，固定端的拉力再次出现较大增幅，但相对第一次增幅明显减小，如此多次反复冲击，直到最后棒料稳定置于防护网上，固定端拉力值不再变化．

表2　不同工况下固定端的最大相对拉力值对比

从表2提供的不同工况下质量块、棒料冲击防护网固定端最大相对拉力可知，当冲击物的质量和形状不同时，冲击过程中防护网固定端的峰值拉力不相同．质量块的模拟结果与理论计算结果接近，从模型上知道，理论计算针对的是落石，而棒料的模拟仿真结果值偏小，从等效代替的效果来看棒料与实际情况更加符合，两者的误差都在允许的范围内．

5结论

通过对柔性体之间的碰撞问题的研究得出如下结论：

1)落石冲击力的计算公式能比较有效地解决电缆冲击防护网的力学计算问题，考虑到冲击过程中能量的损失，计算结果会有一定的偏大．

2)用等效替代的方法能够较好地模拟仿真计算出柔性体之间碰撞冲击的冲击力，验证了理论计算的准确性，很好地解决了传统力学分析难以计算的问题，为柔性体对跨越架防护网冲击分析提供了参考．

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[责任编辑张莉]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.018

收稿日期：2016-03-14

基金项目：国家自然科学基金项目(51205230，51405264)；湖北省自然科学基金项目(2015CFB445)；湖北省教育厅项目(B201548)；三峡大学研究生科研创新基金项目(2015CX042)

通信作者：陈保家(1977-)，男，副教授，博士，研究方向为设备状态监测与故障诊断以及可靠性评估与寿命预测等．E-mail：cbjia@163.com

中图分类号：TH113.2+2

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)03-0081-05

Analysis of the Impact of Equivalent Model of Flexible Cable on Crossing Pole Protective Net

Chen Baojia1,2Zhu Chenxi1,2Zhou Youhui1,2Tong Guan1,2Zhang Songhua3

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. Hubei Electric Power Engineering Company, Wuhan 430000, China)

AbstractAiming at the problem of flexible cable impact flexible object, this paper takes the crossing pole protective net as the research object and uses the algorithm proposed by Japanese Road Association, and the relevant test data on impact force calculation. By theoretical calculation, the fixed end force of the protective net frame is calculated. Using ANSYS/LS-DYNA software to establish the finite element equivalent model of fault cable impact protection network system, and then the fixed end force of the protective net frame is calculated. In the equivalent model, the fault cable is replaced by the mass and the stick. The fixed end forces under different conditions are calculated respectively. So that the problem of the impact force of flexible body which is hard to calculate is solved. The results provide a basis for designing crossing poles.

Keywordscrossing pole protective net system;broken transmission cables;mass block;metal bar;fixed end force