基于有限元的复合材料管屈曲分析

朱振洋++单强++谭靖++周楠

摘 要：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500 kV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，计算铺层结构各层最大应力，得出绝缘筒铺层结构各层应力相差不能太大。

关键词：支柱复合绝缘子 铺层结构 复合横担

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0081-02

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，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，免维护、可设计性好等优点。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意义。

1 复合绝缘管的屈曲分析

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”220 kV复合横担中的中相支柱绝缘子，其复合绝缘管内径300 mm，外径320 mm，长度4 169 mm，复合绝缘管的力学性能见表1。给定铺层数14层，共给出8种铺层结构。根据复合绝缘管一般的铺层结构，前2层一般采用90°铺层，因此前6种结构前2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，具体铺层结构如下：

当弹性模量为35 GPa时，泊松比为0.3，剪切模量为16 GPa；当弹性模量为5 GPa时，泊松比为0.3，剪切模量为16 GPa；当弹性模量为5 GPa时，泊松比为0.1，剪切模量为3 GPa；

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5 000 N。通过msc.marc软件，选用75号shell单元，采用lanczos法进行屈曲分析。

不同铺层结构的屈曲载荷相差很大，计算结果如下：

铺层结构为[902/（±5）6]，一阶模态特征值为652.4，屈曲载荷（kN）为3 262；铺层结构为[902/（±45）6]，一阶模态特征值为343.44，屈曲载荷（kN）为1 717；铺层结构为[902/（±60）6]，一阶模态特征值为221.8，屈曲载荷（kN）为1 109；铺层结构为[902/（±5/±45）3]，一阶模态特征值为584.4，屈曲载荷（kN）为2 922；铺层结构为[902/（±5/±60）3]，一阶模态特征值为522.7，屈曲载荷（kN）为2 613.5，5种铺层结构均能满足稳定性要求。

2 整塔的受力计算

对220 kV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。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：4.95 kN、10.41 kN和93.34 kN。计算得到左下横担中支柱復合绝缘子的轴力为107 kN，弯矩为22 kN·m。

3 轴向压力作用下不同铺层结构的受力计算

支柱复合绝缘子由绝缘管和两端法兰构成，法兰与绝缘管采用胶黏剂进行连接。建立支柱复合绝缘子实体模型，对一端法兰盘进行固定，另一端施加107 kN的压力，采用有限元软件msc.marc对不同铺层结构进行分析，各铺层结构及计算得到各层最大应力见表1。

根据表中的计算结果可知，各层应力均能满足绝缘管的抗压强度要求。

4 结语

对于屈曲载荷来说，绝缘管最内端采用大角度铺层，其他部分采用小角度铺层的结构其稳定性最好。对于受压力和弯曲作用的绝缘管最内端宜采用大角度，中间部分宜采用小角度进行铺层。绝缘筒铺层结构各层应力相差不能太大，防止绝缘筒在运行时内壁应力大于其他层首先出现裂纹现象。

参考文献

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