插接式复合材料单杆塔有限元分析.pdf

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1、2013年第6期玻璃钢／复合材料31插接式复合材料单杆塔有限元分析朱轲，何昌林，马小敏(1．四川电力科学研究院，成都610000；2．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074)摘要：以某法兰式复合材料单杆塔工程为背景，在相同设计条件下设计了插接式复合材料单杆塔，并利用有限元软件ANSYS对其在三个典型工况下的应力、挠度和结构稳定性进行了计算分析。结果显示插接部位环向应力过大，且为结构的薄弱位置。对插接部位提出的两种补强方案进行了计算分析，结果表明对内插管采用钢内衬补强的效果比较明显。文章最后对插接式单杆塔进行了抗扭设计，提出了胶接和螺栓配合的方式防止扭转。关键词：复合

2、材料杆塔；插接；有限单元法；接触分析；安全系数；挠度中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2013)06—0031—051引言大量的理论分析和试验研究，并且已得到广泛的应输电杆塔作为电力基础设施的一个重要组成用。由于钢材为各向同性材料，通过插接深度可以部分，其结构性能直接影响线路的安全性、经济性控制插接位置的应力，因此国内外学者研究比较多的是插接深度对插接节点强度和整塔位移的影和可靠性。传统输电杆塔存在质量重、易腐蚀、使响j。关于插接式复合材料杆塔，国外做了大量用寿命短、施工和运行维护困难等缺点，容易出现各研究，加拿大RS公司生产的独创模段式插接杆塔种安全

3、隐患。纤维增强树脂基复合材料(以下简称复合材料)具有轻质高强、耐腐蚀、电绝缘、性能可设已有广泛应用。目前，国内关于插接式复合材料计等特点，是输电杆塔较理想的材料选择。复合材杆塔研究还比较少。深圳供电局购买RS公司产品组建了3基不同类型的插接式复合材料杆塔，分别料杆塔在国外已经得到批量化生产，国内的研究刚进行了电气性能与机械性能测试，性能良好，而在机刚起步，。械性能超载试验中破坏位置均为插接部位¨。可目前，复合材料输电杆塔主要有格构式和单杆式两种。格构式杆塔杆件比较多，节点构造比较复见插接部位为插接式杆塔的薄弱位置，需要对其进杂，复合材料存在不宜打孑L的缺点，故杆件两端常采行研究。用金

4、属套筒连接，其加工精度和成本相对比较高，并由于影响插接式杆塔结构性能的因素比较多，插接部位应力也比较复杂，且复合材料存在各向异且增加了整塔质量，使得复合材料杆塔轻质高强的性特征，不同于金属，因此其研究比较困难。有限元特性没有完全发挥，因此格构式复合材料杆塔并没有得到大范围推广J。复合材料单杆塔结构简单，软件ANSYS包含了丰富的复合材料结构计算模块和接触分析模块，为工程界和学术界普遍应用口H]。在国外已得到广泛的应用，国内也已建设多条示范线路J。复合材料单杆塔通常分为数段，杆身连接本文将应用ANSYS软件对插接式复合材料杆塔进方式主要有钢套筒法兰连接和插接连接两种。钢套行分析计算，解

5、决插接式杆塔关键性问题，并为实际筒法兰连接承载力好，现场便于组装，但是也存在诸工程提供指导性建议。多缺点，如节点重量大、加工困难、生产成本高、套筒2工程背景与复材变形不一致引起脱胶、抗扭强度不足等J。本项目依托四川110kV单回直线杆塔开展研插接式复合材料杆塔传力性能好，无需制作和安装究。设计条件如下：水平档距为291m；垂直档距为金属法兰，杆身所有工序可在缠绕机上实现，加工周153m；呼高13．5rn，总高为21．1m；最大设计风速期短，应用前景非常可观。25m／s；最大覆冰厚度为5mm；导线型号LGJ．185／关于插接式多边形锥型钢管杆，国内外进行了25，安全系数为2．5；地线型

6、号GJ-50，安全系数为4。收稿日期：2012—11_02作者简介：朱轲(1978一)，男，硕士，工程师，主要从事线路及过电压方面的研究。氍32插接式复合材料单杆塔有限元分析2013年9月复合材料杆身采用小角度缠绕成型工艺，经一模拟。文献[9]计算了多边形锥型钢管杆在加载时定角度铺层设计而成，试验测得杆身材料性能参数不同摩擦系数下加载点的侧向位移，结果表明摩擦如表1所示。系数对单杆塔的整体位移影响甚微，本计算选取摩表1复合材料杆塔杆身材料参数擦系数为0．3E。Table1Thematerialparametersofcompositepole=_’、=-』1{比j／一，IIlT上l{

7、{lII＼i＼IU强L!盟一原设计为法兰式复合材料杆塔，结构设计如图1所示，杆塔分为两节，通过金属套筒法兰连接。整———’塔共有三个金属法兰，法兰1和法兰3深度为管外法兰l一插接部位—j——法兰2一径的0．7倍，为带锥度法兰，法兰2为直法兰，深度晷j为管外径的1倍。结构极限承载力控制工况为断地l{线工况和90度大风工况，挠度控制工况为正常运行ll工况。计算结果如表2所示(应力均为压应力)。∞表2法兰式复合材料杆塔计算结果法兰3一法兰4一Table2Ther