盤形懸式絕緣子應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)

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1、盤形懸式絕緣子有限元應(yīng)力計(jì)算與分析聶一彪1，肖漢寧1，周祥發(fā)1，(1.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院長沙410082)摘要:隨著電力工業(yè)向著超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，絕緣子必須滿足高性能、高可靠性的要求。研究采用ANSYS軟件模擬絕緣子應(yīng)力分布，分析絕緣子在應(yīng)用載荷下的應(yīng)力，為預(yù)測和設(shè)計(jì)工程應(yīng)用絕緣子的安全及可靠性奠定了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:電瓷；絕緣子；應(yīng)力；有限元法8絕緣子是輸電線路中的關(guān)鍵部件之一，隨著電力工業(yè)向著超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，絕緣子必須滿足高性能、高可靠性的要求。絕緣子性能的優(yōu)劣對電力系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行起著舉足輕重的

2、作用。倘若絕緣子的性能不能滿足服役條件，而且未做必要的力學(xué)設(shè)計(jì),絕緣子安全性及可靠性難以保證。這也就使得高性能絕緣子的生產(chǎn)及力學(xué)設(shè)計(jì)成為必要,高性能絕緣子的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)將成為今后電工陶瓷技術(shù)中一項(xiàng)重要工作。盤形懸式絕緣子（見圖1）是目前普遍使用的線路絕緣子結(jié)構(gòu)形式，其性能和結(jié)構(gòu)是根據(jù)輸電線路電壓等級、輸電容量及使用環(huán)境等決定的。長期以來，在絕緣子生產(chǎn)方面，采用傳統(tǒng)的工藝及設(shè)備，其能耗高且制備漿料的粒度較大，故燒結(jié)后的產(chǎn)品難以達(dá)到高強(qiáng)度的要求；在絕緣子的設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)電瓷廠主要采用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，輔以各種實(shí)驗(yàn)手段，在對大量產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上來確定

3、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀，因此，絕緣子的設(shè)計(jì)周期過長。同時(shí)，由于絕緣子在使用中的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，僅靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是不能滿足可靠及安全要求的。有限元法是20世紀(jì)50年代在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域靜力和動力特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法。同時(shí)，有限元法的通用計(jì)算程序作為有限元研究的一個重要組成部分，也隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展而迅速發(fā)展起來。在20世紀(jì)70年代初期，大型通用的有限元分析軟件出現(xiàn)了，這些大型、通用的有限元軟件功能強(qiáng)大，計(jì)算可靠，工作效率高，因而逐步成為結(jié)構(gòu)分析中的強(qiáng)有力的工具。近20多年來，各國相繼開發(fā)了很多通用程序系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域也從結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域擴(kuò)展

4、到各種物理場的分析，從線性分析擴(kuò)展到非線性分析，從單一場的分析擴(kuò)展到若干個場耦合的分析。在目前應(yīng)用廣泛的通用有限元分析程序中，美國ANSYS公司研制開發(fā)的大型通用有限元程序ANSYS是一個適用于微機(jī)平臺的大型有限元分析系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，適用領(lǐng)域非常廣泛。ANSYS是在20世紀(jì)70年代由ANSYS公司開發(fā)的工程分析軟件。開發(fā)初期是為了應(yīng)用于電力工業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車、土木工程等各種領(lǐng)域，能夠滿足各行業(yè)有限元分析的需要。ANSYS軟件主要包括三個模塊：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)

5、格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。為滿足絕緣子可靠性要求，其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是如何合理地分析絕緣子的應(yīng)力分布及8最大載荷下應(yīng)力的許用值。所以，為了達(dá)到這樣的目的，必須

6、對材料及材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?以便給出較為簡單的數(shù)學(xué)描述。作為一種工程應(yīng)用，模型的分析解是不易得到的,所以經(jīng)常采用力學(xué)分析軟件模擬的方法。針對電力工業(yè)領(lǐng)域?qū)^緣子提出的高性能、高可靠性的要求，本研究采用ANSYS軟件模擬絕緣子應(yīng)力分布，分析絕緣子在應(yīng)用載荷下的應(yīng)力，為預(yù)測和設(shè)計(jì)工程應(yīng)用絕緣子的安全及可靠性奠定一定的基礎(chǔ)。圖1盤形懸式絕緣子1.瓷件2.鋼腳3.鐵帽4.水泥膠合劑5.墊片6.鎖緊銷1工程問題的描述絕緣子是輸電線路中的關(guān)鍵部件之一，其強(qiáng)度是滿足產(chǎn)品高性能、高可靠性的最主要指標(biāo)。在滿足總體設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)合理，能夠

7、承載較大的應(yīng)力載荷?，F(xiàn)在研究的對象是盤形懸式絕緣子，見圖1-零件1。相關(guān)物理參數(shù)見表1。表1絕緣子的物理參數(shù)物理參數(shù)及單位數(shù)據(jù)體積，g/cm3拉伸強(qiáng)度，Mpa抗壓強(qiáng)度，Mpa彎曲強(qiáng)度，Mpa沖擊彎曲強(qiáng)度，N-mm/mm2楊氏模量，N/mm2剪切模量，N/mm2泊松比，2.65-2.7550-65（未上釉），55-70（上釉）400-600（未上釉），500-650（上釉）≧150Mpa（未上釉）,≧175Mpa（上釉）2.8-3.18.5×1043.3×1050.388硬度（shore）熱膨脹系數(shù)，10-6/℃（250℃~800℃）熱容，Kca

8、l/kg.℃熱導(dǎo)率，Kcal/m.h.℃996.8-7.25.1-5.50.2-0.221.0-1.52模型的建立與網(wǎng)格劃分根據(jù)懸式絕緣子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和