基于ANSYS的復(fù)合材料電纜支架的仿真分析

范龍

(河北省送變電公司，石家莊050000)

摘要：介紹ANSYS軟件及復(fù)合材料有限元分析的理論基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)合材料電纜支架進(jìn)行有限元分析和仿真分析，結(jié)果表明復(fù)合材料的電纜支架在強(qiáng)度、剛度、安全性等方面，均優(yōu)于金屬材質(zhì)的電纜支架。提出復(fù)合材料電纜支架設(shè)計(jì)的合理化建議，為復(fù)合材料電纜支架的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS；復(fù)合材料；電纜支架；有限元仿真

收稿日期：2014-09-15

作者簡(jiǎn)介：范龍(1982-)，男，工程師，主要從事變電一次施工管理工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9898(2015)01-0018-05

Abstract:The theoretical basis of the composite finite element analysis is introduced, and the composite cable support is simulated by ANSYS. The results show that the composite cable is superior to metal cable bracket in strength, stiffness, safety and the like. Some proposals are put forward for designing rationalization the cable support, and can provide technical reference for the composite cable bracket production.

Simulated Analysis of Composite Cable Support Based on ANSYS

Fan Long

(Hebei Electric power Transmission&Transformation Company，Shijiazhuang 050000，China)

Key words:ANSYS;composite; cable support; finite element simulation

在電力行業(yè)中，常用的電纜支架材質(zhì)為球墨鑄鐵的鑄造支架，它是鋪設(shè)線路時(shí)電纜配套安裝的重要組件，其作用是把電纜固定于巷道壁上，應(yīng)用范圍很廣，通常應(yīng)用于變電站電纜層、電纜溝、電纜隧道以及其他電纜構(gòu)筑物中。由于鋼結(jié)構(gòu)電纜支架本身性能的限制，在使用中一直存在著較多的缺點(diǎn)，比如易腐蝕性，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用高，使用壽命短等，因此研制質(zhì)量密度低、強(qiáng)度高、不銹蝕的新型防火高分子材料的電纜支架，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制造的電纜支架是電纜支架未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。高分子復(fù)合材料本身具有優(yōu)良的機(jī)力學(xué)、耐熱和耐高溫等性能，特別是樹(shù)脂基復(fù)合材料，本身的耐腐蝕性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料。復(fù)合材料是非鐵磁性材料，應(yīng)用于輸電線路中，可以有效避免渦流損耗，具有明顯節(jié)能降耗效果。基于復(fù)合材料的特性，把復(fù)合材料應(yīng)用于電纜支架中，并研究其結(jié)構(gòu)特性，已經(jīng)成為電力電纜行業(yè)迫切發(fā)展的方向之一[2]，進(jìn)一步分析復(fù)合材料電纜支架對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，對(duì)本行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。

1ANSYS軟件介紹

ANSYS 作為全球領(lǐng)先的CAE分析軟件，幾乎能夠?qū)λ械墓こ虇?wèn)題進(jìn)行模擬分析。ANSYS 融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等分析功能于一體，可以在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算。ANSYS 能夠與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換，如 pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、UG、AutoCAD、Solidworks 等，這樣就使得 ANSYS 能夠滿足不同層次的分析要求。

ANSYS 作為通用的有限元分析程序，具有先進(jìn)的求解器，能夠在 PC 機(jī)以及工作站運(yùn)行，同時(shí)它具備專(zhuān)門(mén)的復(fù)合材料分析單元，故選擇 ANSYS 為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算軟件。

2復(fù)合材料有限元分析的理論基礎(chǔ)

復(fù)合材料是由多層材料層合而成，一般表現(xiàn)為層合板結(jié)構(gòu)，材料的布置方式不同，整體表現(xiàn)出明顯的各向異性[3]。復(fù)合材料的有限元分析中，首先要掌握材質(zhì)的力學(xué)分析理論及結(jié)構(gòu)分析理論。在具體問(wèn)題中，無(wú)論是結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度或者振動(dòng)分析，涉及的因素很多，問(wèn)題較復(fù)雜，通常采用有限元分析法來(lái)實(shí)現(xiàn)其解析。復(fù)合材料的有限元分析相對(duì)于各向同性的金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，分析過(guò)程將有所不同，主要反映在單元離散方法和彈性常數(shù)矩陣以及材料的屬性。

復(fù)合材料的基體一般都是各向同性的，復(fù)合材料的非線性彈性主要由纖維引起的。各向同性材料的非線性彈性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和各向異性彈塑性體在主動(dòng)塑性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相同[3-4]。

復(fù)合材料中層合板的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，該層合板是由2層以上的單層板粘合在一起的結(jié)構(gòu)體，各層的材料特性、厚度以及鋪設(shè)方向等可以各不相同[5]。復(fù)合材料層合板的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以根據(jù)需要設(shè)定以上參數(shù)，使構(gòu)件達(dá)到最佳承載形式。由于層數(shù)的增多以及特性的改變，致使復(fù)合材料的層合理論變得更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)有兩方面，其一是由于不同物理性質(zhì)和幾何尺寸單層板組成的層合板具有一般的各項(xiàng)異性；另一方面，這種層合板在厚度方向上具有宏觀的非均勻性和力學(xué)的不連續(xù)性。

圖1　層合板的結(jié)構(gòu)示意

在圖1中，層合板包括2層疊加的單層板，形成3個(gè)表面，即上表面、中面和下表面，其中在中面上建立坐標(biāo)系，用于推導(dǎo)內(nèi)力和應(yīng)變關(guān)系式[6]。首先應(yīng)變與位移的關(guān)系式可表示為：

(1)

(2)

對(duì)于層合板，假定為殼體類(lèi)板元，可以不考慮其厚度，因此

(3)

通過(guò)在x和y方向上對(duì)z進(jìn)行積分，獲得初始值后，并帶入式(1)中，可得到應(yīng)變的表達(dá)式為：

(4)

(5)

(6)

式中：u、v、w分別表示層合板在厚度范圍內(nèi)x、y、z軸方向的位移;u0、v0、w0分別表示層合板中面上的點(diǎn)在x、y、z軸方向的位移。

因此，在中面上點(diǎn)的應(yīng)變與位移的關(guān)系可表示為

(7)

從以上層合板的應(yīng)變表達(dá)式中可以看出，層合板上的上表面、下表面上的點(diǎn)與中面上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)之間，其面內(nèi)的應(yīng)變和彎曲應(yīng)變有相關(guān)性，而且層合板表面任一點(diǎn)的應(yīng)變值是沿厚度呈線性變化的。

3復(fù)合材料電纜支架的有限元分析

以下通過(guò)復(fù)合材料電纜支架工作載荷下的靜態(tài)有限元分析，來(lái)研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能特性，從而評(píng)估電纜支架的壽命[7]。在獲得復(fù)合材料電纜支架的工作狀態(tài)、幾何參數(shù)等信息后，采用PROE5.0軟件建立電纜支架的三維模型，在建模時(shí)考慮復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)，建立多層面組合，形成電纜支架幾何模型，然后通過(guò)中間數(shù)據(jù)文件格式導(dǎo)入有限元分析軟件，在前處理中對(duì)電纜支架的材質(zhì)進(jìn)行選擇和定義，接著分析滿載荷下的變形和應(yīng)力，并計(jì)算滿載荷下的剛度值。

3.1　復(fù)合材料電纜支架的模型建立

建立有限元模型有2個(gè)途徑：一是實(shí)體建模法，即利用現(xiàn)有的三維造型軟件建立實(shí)體模型，通過(guò)中間數(shù)據(jù)文件的形式，把實(shí)體模型導(dǎo)入有限元軟件，然后對(duì)其進(jìn)行分析；二是直接生成法，該方法是利用有限元軟件本身自帶的建模模塊來(lái)完成實(shí)體模型的建立。由于實(shí)體建模法獲得的模型比較精確，修改起來(lái)比較方便，具有較高的有效性和通用性，建模效率較高，是一般建模的首選方法，以下電纜支架采用實(shí)體建模法。

由于電纜支架為一端固定，另一端為自由端，根據(jù)固定方式的不同，有預(yù)埋型分體式電纜支架和螺孔型分體式電纜支架。電纜支架的上表面中部安放不同規(guī)格的電纜，根據(jù)實(shí)際需求，電纜支架表面承載的電纜個(gè)數(shù)可為單個(gè)，也可為多個(gè)，一般為單個(gè)電纜居多。根據(jù)電纜支架的承載形式，可以把力學(xué)模型簡(jiǎn)化為變截面懸臂梁結(jié)構(gòu)，其界面形狀一般為“工”字形，由上托板、下托板和肋板構(gòu)成，如圖2所示。

圖2　電纜支架的結(jié)構(gòu)組成

對(duì)于電纜支架的幾何結(jié)構(gòu)，現(xiàn)參考某220 kV變電站線路改造中所使用的電纜支架參數(shù)作為幾何參數(shù)，來(lái)建立電纜支架的幾何模型，見(jiàn)圖3，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3　電纜支架的幾何模型

表1電纜支架設(shè)計(jì)參數(shù)

參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)取值總長(zhǎng)/mm312電纜中心距/mm200固定端高度/mm65單回電纜垂直負(fù)載/N2550截面寬度/mm71截面厚度/mm13

電纜支架的有限元模型中，由于所采用的材質(zhì)為復(fù)合材料，考慮復(fù)合材料的鋪設(shè)角度和層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的影響，因此在模型建立時(shí)，對(duì)不必要的特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。簡(jiǎn)化的特征主要包括圓角、曲面等小的特征，模型本身不考慮實(shí)際加工過(guò)程對(duì)材料和結(jié)構(gòu)性能的可能影響，盡可能逼近電纜支架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，正確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力線路、受力情況等，在變形方面只考慮復(fù)合材料的線彈性行為，忽略鋪層之間的相對(duì)位移和相對(duì)變形。

3.2　復(fù)合材料電纜支架的有限元分析步驟

3.2.1材料參數(shù)及單元類(lèi)型選擇

復(fù)合材料電纜支架主要采用高強(qiáng)度的鋁合金為基體，并利用玻璃鋼/環(huán)氧復(fù)合材料作為鋪層纏繞于基體周?chē)?。高?qiáng)度鋁合金基體的性能參數(shù)為：彈性模量E=71 GPa，泊松比ν=0.31，剪切彈性模量G=27 GPa，抗剪強(qiáng)度σ=420 MPa。

玻璃鋼/環(huán)氧復(fù)合材料的材料參數(shù)為：E1=49.3 GPa；E2=14.7 GPa；E3=14.7 GPa；G12=6.8 GPa；G13=6.8 GPa；G23=6.8 GPa；ν12=0.296；ν13=0.306；ν23=0.499。

針對(duì)復(fù)合材料電纜支架的材質(zhì)，在ANSYS軟件中可供選擇的單元類(lèi)型有shell99、Shell191、shell181 3種殼單元和Solid46、Solid191 2種實(shí)體單元。以下復(fù)合材料電纜支架的基體和鋪層結(jié)構(gòu)均可選擇實(shí)體單元中的Solid191作為模擬單元進(jìn)行有限元分析。

3.2.2單元?jiǎng)澐峙c邊界條件

在ANSYS軟件中，提供了多種網(wǎng)格劃分方法：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以及直接生成網(wǎng)格。電纜支架的結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料擠壓纏繞而成的實(shí)體零件，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以采用控制網(wǎng)格邊長(zhǎng)的方式進(jìn)行直接生產(chǎn)，然后對(duì)局部倒角或設(shè)有連接孔的部位進(jìn)行局部加密處理，產(chǎn)生適應(yīng)于電纜支架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖。

對(duì)電纜支架的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到14 271個(gè)單元，24 931個(gè)節(jié)點(diǎn)。復(fù)合材料的電纜支架中的上托板和下托板均為一層單元網(wǎng)格，可以模擬20層復(fù)合材料的鋪設(shè)。

由于電纜與電纜支架一般為弧面接觸，因此在電纜支架的上托板中部設(shè)有承載面與電纜表面接觸，因此在承載面的范圍內(nèi)，對(duì)電纜支架施加面載荷，該載荷為電纜支架的工作載荷，一般為相鄰電纜支架距離內(nèi)電纜的質(zhì)量，該質(zhì)量轉(zhuǎn)換到電纜支架的承載面，轉(zhuǎn)化為面載荷。因此，根據(jù)電纜支架的工作環(huán)境及實(shí)際公開(kāi)，需要分析電纜支架的靜態(tài)應(yīng)力分析，保證能夠承載電纜， 上述載荷施加根據(jù)表1中的設(shè)計(jì)載荷施加即可。

4復(fù)合材料電纜支架的仿真分析

4.1　復(fù)合材料電纜支架強(qiáng)度和剛度的分析

當(dāng)復(fù)合材料的電纜支架在受到電纜重力的作用，對(duì)其固定端進(jìn)行位移約束，并在承載面上的載荷作用下，可以獲得電纜支架在通過(guò)大變形的有限元分析結(jié)果，由分析結(jié)果可提取有關(guān)節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算后的數(shù)值。分析后得到的復(fù)合材料電纜支架變形云圖，見(jiàn)圖4。

圖4　復(fù)合材料電纜支架變形云

從圖4可以看出最大變形點(diǎn)位于電纜支架的自由端，其變形值為0.745 mm。復(fù)合材料電纜支架在3個(gè)方向上的變形與整體變形對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在y方向上為電纜支架的主變形方向。

然后對(duì)電纜支架上托板的中性面上的節(jié)點(diǎn)變形值進(jìn)行提取，獲得關(guān)于沿電纜支架長(zhǎng)度方向L上節(jié)點(diǎn)的變形曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，變形曲線隨著長(zhǎng)度的增加而增加，但是整體并非線型變化，在0~130 mm的節(jié)點(diǎn)位移變化為曲線，在130~200 mm的節(jié)點(diǎn)近似線形變化，在200 mm以后的節(jié)點(diǎn)為水平線。從整個(gè)曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，整個(gè)電纜支架變形趨勢(shì)符合懸臂梁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，其中個(gè)別點(diǎn)處出現(xiàn)曲折，是由于上托板和下托板之間的肋板空腔的y方向的變化，還有在圓角過(guò)渡的位置，出現(xiàn)位移變化縮減或者增大的情況，但是對(duì)電纜支架整體結(jié)構(gòu)影響不大。

圖5　電纜支架上托板中性面上節(jié)點(diǎn)變形

從上面分析中，提取出復(fù)合材料電纜支架的應(yīng)力變化云圖，圖6為復(fù)合材料電纜支架整體應(yīng)力云圖。

圖6　復(fù)合材料電纜支架應(yīng)力云

從圖6可以看出，最大應(yīng)力為0.27 MPa，位置出現(xiàn)在上肋板與固定端的拐角處，其他方向上的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在與電纜的接觸部分，因此可認(rèn)為復(fù)合材料電纜支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，與電纜接觸部分的位置及弧度要求較高，另外對(duì)上肋板的圓角過(guò)渡部分需要多加注意。

根據(jù)以上云圖分析結(jié)果，對(duì)上肋板的中性面上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行提取，生成隨著電纜支架長(zhǎng)度L方向上，應(yīng)力變化曲線見(jiàn)7。

圖7　電纜支架上托板中性面上節(jié)點(diǎn)變形

從圖7可以看出，復(fù)合材料電纜支架的最大應(yīng)力點(diǎn)的位置在50 mm處，該點(diǎn)正好處于上肋板與固定端的彎角結(jié)合處。在電纜支架的模型中，固定端的拐角半徑在不影響電纜鋪設(shè)的情況下，盡量采用大半徑轉(zhuǎn)角，這樣可以提高電纜支架的承載能力，同時(shí)也保證了電纜支架的使用壽命。

4.2　復(fù)合材料電纜支架安全性分析

利用復(fù)合材料電纜支架的幾何模型，對(duì)其進(jìn)行了安全性分析。選取1.5倍載荷作為其最大承載載荷，分析電纜支架的應(yīng)力分布，其結(jié)果見(jiàn)表2。其分析過(guò)程與上述的結(jié)構(gòu)分析相同，其分析結(jié)果中，重點(diǎn)關(guān)心的為x、y和z3個(gè)方向的應(yīng)力分量以及等效應(yīng)力是否能夠達(dá)到極限強(qiáng)度，當(dāng)任意一個(gè)達(dá)到材料的極限強(qiáng)度，則認(rèn)為復(fù)合材料的電纜支架不能滿足設(shè)計(jì)要求。

表2極限載荷下復(fù)合材料電纜支架應(yīng)力分析結(jié)果

分析類(lèi)型x方向應(yīng)力y方向應(yīng)力z方向應(yīng)力等效應(yīng)力復(fù)合材料電纜支架/MPa0.7215.181.5615.36極限應(yīng)力/MPa373142.4080407.19強(qiáng)度比1381.489.3814.2826.51

對(duì)電纜支架的材料參數(shù)修改為鑄鋼材質(zhì)，根據(jù)上述分析步驟，得到極限載荷下金屬材料電纜支架應(yīng)力分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3極限載荷下金屬材料電纜支架應(yīng)力分析結(jié)果

分析類(lèi)型x方向應(yīng)力y方向z方向等效應(yīng)力金屬材料電纜支架/MPa5.0262.308.2363.04極限應(yīng)力/MPa90909090強(qiáng)度比17.921.4410.941.43

通過(guò)對(duì)比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)最大應(yīng)力強(qiáng)度-應(yīng)力準(zhǔn)則得到的強(qiáng)度比R，復(fù)合材料最小值為9.38，金屬材料的最小值為1.43，因此對(duì)于同樣結(jié)構(gòu)的電纜支架，復(fù)合材料的電纜支架完全能夠承載電纜，不僅保證安全，而且能夠獲得更高的強(qiáng)度比值，兩者相對(duì)來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的電纜支架在強(qiáng)度和剛度方面，均優(yōu)于金屬材質(zhì)的電纜支架。

5結(jié)論

a. 復(fù)合材料電纜支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，與電纜接觸部分的位置及弧度要求較高，另外對(duì)上肋板的圓角過(guò)渡部分需要多加注意；

b. 復(fù)合材料電纜支架固定端的拐角半徑在不影響電纜鋪設(shè)的情況下，盡量采用大半徑轉(zhuǎn)角，這樣可以提高電纜支架的承載能力，同時(shí)也保證電纜支架的使用壽命；

c. 對(duì)于同樣結(jié)構(gòu)的電纜支架，復(fù)合材料的電纜支架完全能夠承載電纜，不僅保證安全，而且能夠獲得更高的強(qiáng)度比值，兩者相對(duì)來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的電纜支架在強(qiáng)度和剛度方面，均優(yōu)于金屬材質(zhì)的電纜支架。

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本文責(zé)任編輯：楊秀敏