特高压大直径支柱复合绝缘子静力分析报告

李挺标 张广全 焦忠政 张亿佳 寇亚亚

（1. 白云电气集团的华东总部南京电气科技集团有限公司 2.南京电气（集团）高新材料有限公司）

0 引言

支柱复合绝缘子产品结构由FRP绝缘棒、硅橡胶伞群和端部法兰组成，通过SOLIDWORKS软件对南京电气（集团）高新材料有限公司设计制造的特高压支柱复合绝缘子产品（产品规格：绝缘棒直径φ280mm×2515mm）进行三维建模，并使用SOLIDWORKS Simulation仿真计算绝缘子的受力特性。根据计算结果查看各部件的应力分布和变形情况，根据设计标准判断支柱复合绝缘子各部件是否满足设计要求。

另外，根据力学的相关公式进行计算，力学计算公式得出的值与SOLIDWORKS软件建模值进行对比其差异。

在实际生产过程中，对生产出来的支柱复合绝缘子进行实际设计弯曲负荷（MML）验证试验，并将试验结果数据与仿真计算结果和力学公式计算结果进行比较。

1 SOLIDWORKS Simulation仿真计算

1.1 计算基本条件

（1）几何模型

单元件尺寸：φ280mm×2515mm，单元件由上端法兰、芯棒、下端法兰组成。根据给定的模型图纸，对模型进行三维建模。

此部件为本司特高压支柱复合绝缘子产品（φ280mm×12270mm）最下节单元件，其几何模型如图1所示。

图1 单元件几何模型示意图

（2）有限元模型

对建模后的模型进行网格划分，设定端部法兰与芯棒连接形式为全局接触相互接合，按照SOLIDWORKS Simulation默认的参数划分结果如图2所示。

（3）材料属性

图2 单元件有限元模型示意图

本单元件各主要零部件的材料设定属性值如表1所示。

1.2 静应力分析

根据给定的载荷工况，对某司特高压支柱复合绝缘子产品最下节单元件结构进行静应力分析计算。

（1）边界条件及载荷

1）特高压产品整柱结构高度为12270mm，产品的设计弯曲负荷为16kN，整柱力矩为196.32kN·m；

2）本单元件为特高压产品最下节单元件，其结构高度为2515mm，根据力矩换算，对整体模型端部上法兰施加垂直与轴线方向的载荷78.1kN，计算得出本单元件力矩为196.42kN·m；

表1 主要零部件材料设定属性值

3）设定端部下法兰夹具固定；

4）设定端部法兰与芯棒连接形式为全局接触相互接合。

加载后的模型如图3所示。

图3 加载后的模型

（2）计算结果

运行SOLIDWORKS Simulation进行静应力分析，应力、位移和应变的分析结果分别如图4~图6所示。

图4 静力载荷下的整体应力云图

图5 静力载荷下的位移云图

从静力载荷下的整体应力云图可见，此时单元件的最大应力值为340.5MPa。

从静力载荷下的位移云图可见，此时单元件在最大应力值340.5MPa下，顶端偏移29.17mm。

图6 静力载荷下的应变云图

从静力载荷下的应变云图可见，此时单元件在最大应力值340.5MPa下，最大应变量为0.0015。

如图4~图6所示单元件在垂直与轴线方向的78.1kN载荷作用下的最大位移为29.17mm，发生在绝缘子上端顶部，此时的最大应力为340.5MPa，发生在下法兰。根据端部法兰与芯棒的材料特性，产品设计满足技术标准要求，并计算得出安全系数如表2所示。

表2 各主要零部件的最大应力

从表2可以得出：产品在最大机械负荷196.42kN·m作用下，其产生的最大应力远小于材料本身的许用应力，各部件安全系数均大于1.2，满足受力要求。

2 力学公式计算分析

（1）根据管材料弯曲应力校核计算公式

式中，σ为芯棒最大弯曲应力MPa；Mw为SML额定机械负荷，N·mm；D1为绝缘管外径，mm；d1为绝缘管内径，mm。

其引用参数及芯棒最大弯曲应力σ计算结果见表3。

表3 芯棒弯曲应力校核表

（2）根据管材料刚度计算公式

式中，f为顶端最大偏移量，mm；F为产品所受弯力，N；L为产品力臂，mm；E为产品弹性模量，GPa；D1为绝缘管外径，mm；d1为绝缘管内径，mm。

其引用参数及顶端最大偏移量f计算结果见表4。

表4 产品刚度计算表

3 弯曲负荷试验验证

对生产出来的产品进行弯曲负荷试验，试验现场照片及试验曲线见图7。

图7 试验现场照片及试验曲线

其中试验结果如表5所示。

4 结果

4.1 模型计算结果

通过利用SOLIDWORKS Simulation软件建立支柱复合绝缘子力学模型，并对模型进行载荷工况下的力学性能分析。

从静应力计算分析结果可知，在垂直与轴线方向的78.1kN载荷作用下的最大位移为29.17mm，发生在绝缘子上端顶部；此时的最大应力为340.5MPa，发生在下法兰。此时芯棒最大应力为98.1MPa。

按照端部法兰材料铸钢许用应力482MPa计算得最小安全系数为1.41，满足最小安全系数1.2的规范要求。

4.2 力学公式计算结果

根据管材料弯曲应力校核计算公式得出单元件在端部施加额定机械负荷196420000N·mm的力矩时，芯棒受到最大弯曲应力为91.2MPa，和模型计算结果接近。

根据管材料刚度计算公式得出在单元件在端部施加78100N作用力时，顶端最大偏移量为34.29mm，和模型计算结果接近。

4.3 试验验证结果

对生产出来的产品进行弯曲负荷试验，端部下法兰用螺栓连接固定在试验基座上，在上法兰端部施加垂直与轴线方向的载荷78.1kN作用下，端部偏移量为32.69mm，产品耐受90s，没有损伤。试验结果与模型计算结果接近。

三种验证结果对比如表6所示。

表6 三种验证结果对比

4.4 结果的误差分析

需要注意的是，仿真计算过程是简化处理的，可能存在以下误差原因：

1）实际绝缘子是由螺栓连接固定的，中间可能存在间隙导致仿真比实际变形量偏小。

2）仿真模型各零部件是理想尺寸形状，实际各构件的横截面尺寸、长度、形位公差等存在实际误差。

3）仿真模型各零部件的连接关系是刚性的，实际各构件之间的连接存在间隙。

4）力学计算公式是不考虑产品零部件的属性的，仅对等效载荷下的芯棒模型进行计算校核，其结果是偏理想化的。

5 结束语

通过以上分析结果可知，某公司生产制造的特高压支柱复合绝缘子产品各部件满足设计标准要求。SOLIDWORKS Simulation静应力仿真及力学计算结果与实际产品试验结果是接近的，可作为前期设计是否满足设计标准的判断依据。