铺层方式对复合横担中复合材料管承载力影响的研究.docx
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1、 铺层方式对复合横担中复合材料管承载力影响的研究 车勇1 李亚1 潘晓东1 郁杰2 邱勇21.国网新疆电力公司经济技术研究院 新疆乌鲁木齐 830011;2.江苏神马电力股份有限公司 江苏南通 226553摘要:本文通过有限元软件msc.marc对不同铺层结构的复合材料管进行屈曲分析,并对500kV复合横担塔进行受力分析,得出左横担中支柱绝缘子所受的最大轴力和弯矩,并将轴力和弯矩分别加载至支柱绝缘子的实体模型中,计算不行铺层结构各层最大应力,得出相关结论。关键词:支柱复合绝缘子;铺层结构;复合横担1.引言1复合横担作为支撑输电线路运行的结构,与传统铁塔相比,由于自身绝缘性能,取消了悬垂绝缘子串
2、,杆塔受风载荷影响减小,呼高显著降低,缩小了走廊宽度,使得整塔重量减轻,基础作用力也相应减小,提升了安全性能,同时具有耐腐蚀,环境适应性强,具有免维护,可设计性好等优点。在特殊的地理环境和气候条件下,将复合材料杆塔或复合横担替代传统钢管塔、角钢塔及横担具有重要意义。由于复合材料结构的力学性能如刚度、稳定性、强度等都与铺层结构有关,支柱复合绝缘子作为构成复合横担的重要元件,在复合横担运行中主要受轴向压力和弯矩作用,因此,研究支柱绝缘子铺层结构对其承载力的影响对复合横担的设计及研发有着重要的意义。2.复合绝缘管的屈曲分析2-3复合横担中的支柱复合绝缘子承受压力作用时,当作用载荷达到或超过一定限度就
3、会发生屈曲失稳,在屈曲失稳过程中,主要涉及的是一个求解特征值的问题,特征值是一个理想状态下的正解,可以作为一个相对保守的值,但这个值具有一定参考意义。屈曲分析具有两个特点,一是计算时间短,二是产品设计前期分析阶段通过线性屈曲分析可预先知道产品的屈曲模态形状。在进行线性屈曲分析是就是要求出特征值,对于线性结构,其方程屈曲临界载荷一般等于特征值乘以施加的初始载荷。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复合横担中的中相支柱绝缘子,其复合绝缘管内径300mm,外径320mm,长度4169mm,复合绝缘管的力学性能见表1。给定铺层数14层,共给出八种铺层结构。
4、根据复合绝缘管一般的铺层结构,前两层一般采用90铺层,因此前六种结构前两层采用90铺层,后面根据不同的角度组合进行铺层。为了进行比较,给出结构7全部小角度铺层和结构八内外两层采用90铺层,中间采用小角度铺层,具体铺层结构见表2。表1.FR材料参数Table1.The material properties of FRP弹性模量 (Gpa) 泊松比 / 剪切模量 (Gpa)Ex 35 PRxy 0.3 Gxy 16Ey 5 PRxz 0.3 Gxz 16Ez 5 PRyz 0.1 Gyz 3由于复合绝缘管两端胶装法兰,胶装部分提高了绝缘管的刚度,在对绝缘管进行屈曲分析时,对胶装部分横向位移进行一
5、定的约束,并对绝缘管一端端部固定,另一端施加轴向压力,总压力值5000N。通过msc.marc软件,选用75号shell单元,采用lanczos法进行屈曲分析。图1是结构4的铺层显示,结构1和结构4的一阶模态位移云图如图2和图3所示。图1 结构4的铺层Fig.1 The layer pattern of structure 4图2 结构1的一阶模态位移云图Fig.2 The first-order model displacement of structure 1图3 结构4的一阶模态位移云图Fig.3 The first-order model displacement of structu
6、re 4根据位移云图,不同铺层结构的一阶失稳模态相近,当绝缘管达到屈曲载荷临界值时,中间部分出现破坏,符合复合支柱绝缘子受压试验中的破坏形式。不同铺层结构的屈曲载荷相差很大,计算结果见表2。表2:屈曲分析结果Table2.The results of bulking analysis铺层结构 一阶模态特征值 屈曲载荷(kN)1 902/(5)6 652.4 32622 902/(45)6 343.4 17173 902/(60)6 221.8 11094 902/(5/45)3 584.4 29225 902/(5/60)3 522.7 2613.56 902/(45/60)3 287.6 1
7、4387 (5)7 583.7 2918.58 902/(5)5/902 584.6 2923從表2看出铺层结构1的屈曲载荷最大3262kN,结构3的屈曲载荷最小1109kN,说明在第一层都采用90铺层情况下,其它层铺层角度越小,结构的屈曲载荷越大。结构7的屈曲载荷2918.5kN,小于结构1中的3263kN,说明最内端采用90铺层比采用小角度铺层绝缘管稳定性提高不少。结构1和结构8比较可知最内端采用90铺层条件下,最外端采用小角度铺层其稳定性优于最外端采用90铺层。对结构3的屈曲载荷,取绝缘管的稳定安全系数,设计计算值:1109/4.0=277.25kN满足设计要求,即八种铺层结构均能满足稳
8、定性要求。3.整塔的受力计算4-5对220kV复合横担塔进行整体建模,塔身部分是角钢材料,横担部分为复合支柱绝缘子与拉索的组合,整塔与复合横担结构分别见如图4和图5。对塔底部进行固定,施加对复合横担受力影响较大的工况,即锚左下导线。根据工况条件,左下横担受力最大,其水平方向、顺线路方向和竖直方向的载荷分别为:4.95kN、10.41kN和93.34kN。计算得到左下横担中支柱复合绝缘子的轴力为107kN,弯矩为22kN.m。整塔的变形及位移云图见图6。图4 整塔图Fig.4 The drawing of whole tower图5复合横担结构图Fig.5 The structure of co
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