基于有限元的法兰设计优化

张三春++付春++刘辉++徐玉波

摘 要：针对复合横担中的支柱绝缘子在运行中主要受弯曲力和压力的特点，并结合支柱绝缘子的抗弯试验结果，对其进行有限元计算，并对法兰结构进行优化分析，得出优化结果，更新法兰设计。计算结果表明，法兰设计裕度较大，通过优化，其质量只有优化前的48.9%，节省了成本并减轻了横担重量。

关键词：支柱复合绝缘子 法兰优化 复合横担

中图分类号：TH703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0080-02

支柱绝缘子作为组成复合横担结构的支撑元件，其承载力和重量是设计中重要考虑的因素。目前对于高电压等级复合横担中的支柱绝缘子，其连接形式主要通过法兰与其他结构相连。法兰结构的设计对于支柱绝缘子的受力及电气性能都有着重要影响，法兰的胶装高度、壁厚，加强筋的高度、数量及厚度都是影响其承载力和重量的重要因素。根据现有支柱绝缘子结构及抗弯试验结果，该文建立支柱绝缘子模型并对其进行受力分析，最后对法兰结构进行优化，得出优化结果和相关结论，为法兰的设计提供依据。

1 横担结构与试验结果

1.1 横担与试品结构

该次试验取自国家电网公司科技项目“110kV220kV输电线路复合横担工程应用研究”220kV复合横担中的支柱绝缘子，主要由支柱绝缘子和拉索通过法兰及连接件连接后与塔身相连，支柱绝缘子主要由法兰、纤维增强复合材料绝缘筒（简称绝缘筒）和伞裙组成，绝缘筒与法兰之间通过胶黏剂粘结。

1.2 支柱复合绝缘子抗弯试验结果

对支柱绝缘子进行抗弯试验，一端通过螺栓固定在抗弯试验机上，另一端加载竖直方向的力，当力的值达到12.8 kN时，开始有声响，破坏现象为绝缘筒拔出，法兰完好无损，当力加载到37.18 kN，法兰破坏。

2 有限元分析及法兰优化

2.1 有限元分析

根据绝缘筒拔出时另一端法兰上加载的力，通过力矩等效到模型中固定端法兰上，对模型进行非线性分析，得到绝缘筒拔出时，胶黏剂上的最大应力32.5 MPa，已超出许用应力值25 MPa。而法兰上最大应力只有236.2 MPa，并没有接近其屈服应力345 MPa，说明法兰的强度还存在较大的裕度。现在对法兰进行优化，优化目标使绝缘筒破坏时，法兰上的最大应力接近其屈服应力，并且使其质量达到最小。

2.2 法兰优化设计

优化设计用式子表示为：

Min （1）

s.t.≥0 （2）

优化设计具有3个方面的要素，即设计变量，目标函数和约束条件。设计变量是设计者可以根据要求而改变的可控制的量。目标函数根据具体的要求分为以下几种：

（1）使结构的质量最小。

（2）使结构的强度或刚度最大。

（3）使结构的可靠性最大。

约束条件分为两类：一类是设计变量可选择的范围，另一类是功能性限制条件。

在Simulation中进行优化分析需确定设计变量、设计约束和目标函数。

（1）设计变量。

根据整个横担承载力要求，复合绝缘管的尺寸是给定的，则法兰的内径是固定的。需要优化的变量包括壁厚d1，胶装高度d2、加强筋高度d3、壁厚d4、加强筋厚度d5、加强筋数量n共6个变量。

（2）设计约束。

约束条件共2个，包括法兰最大应力接近345 MPa，胶黏剂最大应力接近25 MPa。

（3）目标函数。

使法兰质量最小化。

在Simulation中对法兰结构进行优化，算法流程如下：

①使用Simulation定义初始算例。

②选择算例质量。

③使用参数定义离散、连续变量。

④使用传感器定义约束和目标。

⑤查看结果，更新实体和图解。

⑥优化结果不满足要求，转向①。

⑦调整结果并完善设计。

经过51次优化及迭代，得到优化结果如表1所示。

从表1中看出优化后的法兰最大应力326.186 MPa，接近其屈服强度345 MPa。另外得出胶黏剂上的最大应力23.78 MPa，接近许用应力25 MPa。

根据结果，给出优化的法兰设计图，并将优化前后的法兰进行对比计算，法兰质量由原来的50.5 kg减少到24.743 kg，优化后的法兰重量只有优化前的48.9%。

3 结语

优化后的法兰重量仅为优化前的48.9%，节省了大量材料。法兰的优化不仅使质量得到优化，结构的承载力也相应得到优化，而且计算结果可靠，提高了设计效率。

参考文献

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