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文档简介

1、    基于有限元的法兰设计优化    张三春+付春+刘辉+徐玉波摘 要:针对复合横担中的支柱绝缘子在运行中主要受弯曲力和压力的特点,并结合支柱绝缘子的抗弯试验结果,对其进行有限元计算,并对法兰结构进行优化分析,得出优化结果,更新法兰设计。计算结果表明,法兰设计裕度较大,通过优化,其质量只有优化前的48.9%,节省了成本并减轻了横担重量。关键词:支柱复合绝缘子 法兰优化 复合横担:th703 :a :1674-098x(2017)01(a)-0080-02支柱绝缘子作为组成复合横担结构的支撑元件,其承载力和重量是设计中重要考虑的因素。目前对于高电压等级复

2、合横担中的支柱绝缘子,其连接形式主要通过法兰与其他结构相连。法兰结构的设计对于支柱绝缘子的受力及电气性能都有着重要影响,法兰的胶装高度、壁厚,加强筋的高度、数量及厚度都是影响其承载力和重量的重要因素。根据现有支柱绝缘子结构及抗弯试验结果,该文建立支柱绝缘子模型并对其进行受力分析,最后对法兰结构进行优化,得出优化结果和相关结论,为法兰的设计提供依据。1 横担结构与试验结果1.1 横担与试品结构该次试验取自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复合横担中的支柱绝缘子,主要由支柱绝缘子和拉索通过法兰及连接件连接后与塔身相连,支柱绝缘子主要由法兰、纤维增强复

3、合材料绝缘筒(简称绝缘筒)和伞裙组成,绝缘筒与法兰之间通过胶黏剂粘结。1.2 支柱复合绝缘子抗弯试验结果对支柱绝缘子进行抗弯试验,一端通过螺栓固定在抗弯试验机上,另一端加载竖直方向的力,当力的值达到12.8 kn时,开始有声响,破坏现象为绝缘筒拔出,法兰完好无损,当力加载到37.18 kn,法兰破坏。2 有限元分析及法兰优化2.1 有限元分析根据绝缘筒拔出时另一端法兰上加载的力,通过力矩等效到模型中固定端法兰上,对模型进行非线性分析,得到绝缘筒拔出时,胶黏剂上的最大应力32.5 mpa,已超出许用应力值25 mpa。而法兰上最大应力只有236.2 mpa,并没有接近其屈服应力345 mpa,说

4、明法兰的强度还存在较大的裕度。现在对法兰进行优化,优化目标使绝缘筒破坏时,法兰上的最大应力接近其屈服应力,并且使其质量达到最小。2.2 法兰优化设计优化设计用式子表示为:min (1)s.t.0 (2)优化设计具有3个方面的要素,即设计变量,目标函数和约束条件。设计变量是设计者可以根据要求而改变的可控制的量。目标函数根据具体的要求分为以下几种:(1)使结构的质量最小。(2)使结构的强度或刚度最大。(3)使结构的可靠性最大。约束条件分为两类:一类是设计变量可选择的范围,另一类是功能性限制条件。在simulation中进行优化分析需确定设计变量、设计约束和目标函数。(1)设计变量。根据整个横担承载

5、力要求,复合绝缘管的尺寸是给定的,则法兰的内径是固定的。需要优化的变量包括壁厚d1,胶装高度d2、加强筋高度d3、壁厚d4、加强筋厚度d5、加强筋数量n共6个变量。(2)设计约束。约束条件共2个,包括法兰最大应力接近345 mpa,胶黏剂最大应力接近25 mpa。(3)目标函数。使法兰质量最小化。在simulation中对法兰结构进行优化,算法流程如下:使用simulation定义初始算例。选择算例质量。使用参数定义离散、连续变量。使用传感器定义约束和目标。查看结果,更新实体和图解。优化结果不满足要求,转向。调整结果并完善设计。经过51次优化及迭代,得到优化结果如表1所示。从表1中看出优化后的

6、法兰最大应力326.186 mpa,接近其屈服强度345 mpa。另外得出胶黏剂上的最大应力23.78 mpa,接近许用应力25 mpa。根据结果,给出优化的法兰设计图,并将优化前后的法兰进行对比计算,法兰质量由原来的50.5 kg减少到24.743 kg,优化后的法兰重量只有优化前的48.9%。3 结语优化后的法兰重量仅为优化前的48.9%,节省了大量材料。法兰的优化不仅使质量得到优化,结构的承载力也相应得到优化,而且计算结果可靠,提高了设计效率。参考文献1 吴庆华,吴海洋,包永忠.复合材料杆塔壓杆稳定计算方法研究j.特种结构,2010,27(6):82-87.2 夏开全.复合材料在输电杆塔中的研究与应用j.高科技纤维及应用,2005,30(5):19-23.3 刘汉立.复合材料输电杆塔的研究与应用j.纤维复合材料,2011(1):15-17.4 陈建桥.复合材料力学概论m.北京:科学出版社,2006:112-113. 科技创新导报2017年1期科技创新导报的其它文章探析架空输电线路

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