基于ANSYS Workbench楔形耐张线夹的有限元分析

杨浩隆，唐 静，付彬彬

（永固集团股份有限公司，浙江 乐清 325600）

自“西电东送”建设以来，我国的输配电技术发展迅速，但随着时间的推移，电力金具的质量问题也逐渐显露。电力金具的质量直接决定着整个输配电是否能有效运作，而合理的设计是电力金具质量的关键因素之一，它能提高输电线路的运行稳定性。常用的电力金具设计采用二维制图，但无法直观地观察到电力金具因尺寸而引起的问题，随着设计形式从二维向三维的变革[1]，如此不仅解决了尺寸干涉问题，还可以进一步采用有限元分析软件，提前预估在外界环境作用下的力学问题。目前，在电力金具的设计上已见相关应用，王晓辉[2]研究了U型挂环的静、动态特性，为工作人员日常维护提供理论指导；王益博[3]研究了均压环在不同风荷下的应力分布及变形情况，并给出了提高和保障均压环质量的建议；蔡猛昌[4]研究了碗头挂板的应力分布，提出碗头挂板的改进方案，达到了提高强度和节省材料的目的。为验证楔形耐张线夹设计的可靠性，本文是基于Ansys中的集成平台Workbench对其进行研究。

1 楔形耐张线夹的设计

楔形耐张线夹属于电力金具中的拉线金具一类，主要用于固定拉线杆塔。其设计要点为以下3点：

第一，楔形耐张线夹发生断裂的位置一般在挂耳处，可适当地增大挂耳处的壁厚，或者可以考虑增加加强筋，增强其强度；

第二，楔形耐张线夹的壳体设计较为重要，可能发生的缺陷为壳体开裂，因此该部分的内圆弧应光滑过渡，壁厚均匀，保证受力均匀；

第三，楔形耐张线夹的板厚要足以承受一定数值的载荷，具体数值可参考国家标准GB/T 2314—2008《电力金具通用技术条件》。

2 楔形耐张线夹力学分析

2.1 显式动力学分析

将拉伸断裂试验过程的计算作为动态问题进行处理，可以更加方便地分析整个拉伸过程中楔形耐张线夹的形变以及应力分布的变化。显式算法相较于隐式算法有更好的稳定性，不须要进行平衡迭代，故采用显式动力学分析方法。

2.2 模型建立

在三维建模软件Solidworks 中建立楔形耐张线夹模型，如图1 所示。为便于有限元模型的建立，将三维模型中的工艺圆角去掉，采用六面体网格划分，划分结果如图2所示，并赋予铝合金材料属性，铝合金材料的力学特性如表1 表示，其余性能参数参考Workbench材料库中的默认设置。

图1 楔形耐张线夹

图2 网格划分

表1 材料属性

2.3 边界条件设置

模拟拉伸试验真实的受力情况，将楔形耐张线夹的B 端用夹具固定，A 端与螺栓连接，并将140、145以及150 kN的拉力值施加于螺栓，如图3所示。

图3 拉力施加

2.4 求解结果分析

由图4及图5可知，楔形耐张线夹在拉力范围为140～145 kN的作用下，应力最大值均出现在壳体的尾端下部中心位置，在145 kN时，挂耳处开始出现应力集中现象，可能会发生断裂现象；当拉力值达到150 kN 时，如图6 所示，在挂耳处出现大面积的应力集中，且其应力最大值也出现在该部分，为380.02 MPa，该处的应力值均超出铝合金材料的抗拉强度，发生断裂现象，由此可知，楔形耐张线夹的破坏载荷为145～150 kN。

图4 140 kN-应力分布

图5 145 kN-应力分布

图6 150 kN-应力分布

3 拉伸试验

制作楔形耐张线夹样品，并将其固定于拉伸试验机，启动试验机，按照图7 所示的拉力曲线进行施加载荷，加压至152 kN时，发现产品在挂耳处断裂，如图8 所示，且在尾端型腔内表面有压痕，如图9所示。

图7 拉伸曲线

图8 断裂位置

图9 压痕

断裂位置与上述仿真结果相符，实际拉断力为150 kN，仿真拉断力值为145～150 kN，仿真误差值大致为4.6%，可见产品的仿真结果较为准确，产品模型可以用于后续研究。

4 结束语

根据国家标准GB/T 2314—2008《电力金具通用技术条件》的要求，其握力强度要求是导线计算拉断力的90%。上述产品的标称破坏载荷是88 kN，工况系数选择1.2，可得产品承受至少为105.6 kN的拉力且没有断裂。根据实验结果，最后的拉断力为150 kN，产品的力学性能符合要求，设计合理。同时，其破坏载荷值远大于105.6 kN，由此可以对产品进行进一步的减材，在满足性能指标的同时，致使其耗材量最少，以达到经济效益最佳的目的。