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　４８　复合材料输电杆塔设计方法讨论　２０１３年９月　　　复合材料输电杆塔设计方法讨论　　　　　　柳欢欢，刘明慧，于鑫　　　（１．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉　　　　　４３００７４；２．丹东供电公司，丹东１１８０００）　摘要：本文介绍了一种复合材料输电杆塔的设计思路及方法，采用零阶优化算法计算出杆塔底径、锥度、厚度等最优尺寸　　参数，使杆塔既满足设计要求同时也是质量最轻。在有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中建立了１１０ｋＶ复合材料杆塔计算模型并通过　　　杆塔真型实验验证了该计算模型的准确性，杆塔挠度计算值与实测值误差范围在０．０４％～７．８％之间。　　　关键词：输电杆塔；复合材料；有限元；ＡＮＳＹＳ；玻璃钢　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０６００４８０５　—　１ｊ＿Ｊ——　一　　　　　１日ＩＪ吾　　　　输电杆塔是电网构架的核心一次设备，其构造　　　　　　和性能直接影响到电力输送的安全和维护检修难　度。目前我国使用的输电杆塔主要为钢管塔和角钢　　　　　塔，传统杆塔存在易锈蚀、检修不便、维护成本高、占　　　地面积大、线路走廊宽等问题。与此同时，传统杆塔　　　线路绝缘强度均依赖绝缘子串的绝缘性能，在重污　　　秽、重雷区易发生线路闪络事故，给电网安全运行带　　　　来危害。为避免线路跳闸事故发生，增加线路运行　维护频率是方法之一，但造成巨大的线路检修工作　　　量，导致线路运行成本上升。随着我国电网建设和　　　改造规模不断扩大，提高输电线路的运行可靠性、降　　低运维检修工作量和成本成为输电技术领域的一个　　重要发展方向。解决传统杆塔上述诸多问题的方法　之一便是新材料技术的应用。使用玻璃纤维增强复　　　合材料制备的输电杆塔质量轻、耐腐蚀、机械性能优　　　　良、绝缘性能突出，能有效提高输电线路防雷、防污、　　　　防覆冰和防风偏能力，可大幅降低输电线路的运维　　　和检修成本。因此，复合材料杆塔是替代传统杆塔　　成为新一代架空线路杆塔的理想高新技术产品。　　　复合材料结构精细，研制成本高，工艺复杂周期　　长，特别是输电杆塔这类大型制件其模具制备周期　　通常为３０～４０天，且开模费用高昂，如以传统的配　　　　方试探加以研制，反复开模试验需耗费大量的人力　　　　　物力财力，且难以得到准确而系统的科学结论。而　　　　　　应用有限元分析方法可以对复合材料实施优化设　计、性能分析，对材料承载受力破坏过程进行计算机　数值模拟，获得难以用传统试验获得的一系列信息，　　　　再配以适当的实验来检验模型，能够节约大量的费　…　用，缩短研制周期。　传统的输电杆塔设计软件采用有限元方法，通　　　　　常将杆塔模型简化成梁单元与杆单元进行计算分　　　　析，这种方法计算简单，效率高，为大多数杆塔设计　　　人员所采用。然而复合材料是一种各向异性材料，　　　　即在不同方向具有不同的力学性能，这种特性不同　　　于各向同性的金属材料，其受力行为为各方向综合　　　作用的结果，如果直接套用金属材料的计算方法显　　然不合适ｊ。另一方面，复合材料既是材料又是结　　　构，材料的铺层方式就是一种结构形式。基于以上　　　两点，采用有限元方法模拟复合材料力学行为，其本　　构矩阵和离散方法均与金属材料不同，其离散化是　　　双重的，既要对结构离散还要对铺层离散］。因此　传统的有限元钢管塔设计方法不论在本构矩阵上还　　是在有限元模型处理上都不适用于复合材料输电杆　塔的设计。本文旨在推荐一种复合材料输电杆塔的　　设计思路及方法。　　２复合材料杆塔有限元模型　　　在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元　　　　数值仿真分析。目前，在复合材料性能研究方面，赵　　　　　娜等人采用ＡＮＳＹＳ有限元软件计算大型风力叶　　片的仿真分析；贾红雨＿５等人采用有限元方法对不　　　　同轮毂材料的储能飞轮转子进行了分析；段成红Ｌ６　等人采用有限元对碳纤维缠绕复合气瓶爆破压力进　行了分析。对复合材料的有限元计算，其基本原理　在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本　构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重　　　　　的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样　　　的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式　　—　收稿日期：２０１２１１．２８　　　作者简介：柳欢欢（１９８６．），男，硕士，工程师，主要从事复合材料在电力系统的应用研究，ｌｉｕｈｕａｎｈｕａｎ＠ｓｇｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｅｏｍ．ｃａ。　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１３２Ｎｏ．６　５０　　　复合材料输电杆塔设计方法讨论　　２０１３年９月　　　　　　杆径的同时势必会增加杆塔质量以及占地面积，因　此应根据挠度限值，综合考虑多方因素来计算最优　的底径。　，＝　（１一｛９／４）　（２）　　式中，＝吾。　　　　优化设计：综上所述，复合材料杆塔的设计应综　　合考虑杆塔底径、锥度、各段壁厚等参数。这就需要　　对结构进行优化设计，这是一种确定结构最优设计　　　　方案的技术。所谓最优设计，指的是一种方案可以　　　　满足所有的设计要求，并且所需的支出（重量、体积、　　　　　应力、费用等）最合理。优化算法的种类很多，其中　　　零阶方法是一个很完善的处理方法，可以有效地处　　　理大多数工程问题。以一个分三段的复合材料杆塔　　　　　　　为例，其设计变量包括：底径Ｄ，各段锥度０、０、０。，　　　　　　　各段壁厚ｔ。、、ｔ，共七个变量；此外还要引入状态　　　变量，即约束设计的数值，如应力＜设计强度，位　　　　移／Ｚ＜挠度限值；通过计算机程序不断地迭代计算，　　　　　寻找一组最优的设计序列，即当设计变量取特定的　　　　　　　　数值时，既满足设计要求同时目标函数杆塔质量　　最轻Ｈ］。　　　以某特定条件的复合材料杆塔为例，通过优化　　　设计计算得到了一系列设计序列，如图３所示。　　　　　　图３杆塔设计尺寸与杆身重量图　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｄｅｓｉｇｎｓｉｚｅｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｔｏｔｈｅｗｅｉｇｈｔ　　　　　根据以上设计序列可以找到当采用尺寸４时，　　杆塔即满足设计要求同时也是质量最轻，可见采用　　这种优化算法能够极大地降低研发成本。　　４ＡＮＳＹＳ仿真计算与实验对比　　　　４．１ＡＮＳＹＳ有限元计算　　　在有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中对复合材料杆塔　进行有限元分析计算，复合材料杆塔塔身采用的是　　　　缠绕成型工艺其中涉及到铺层方式的设计，因此根　据塔身的实际铺层设计采用四边形映射网格建模。　　按照《架空线路杆塔结构荷载试验》（ＤＬ／Ｔ８９９一　　ｒ￣ｅ／ｃＭ２ｏ　　　２００４）规定要求将风荷载作等效处理，将等效处理的　　　荷载分别施加到杆塔各挂点上。建立了１１０ｋＶ终端　　　　　　杆塔塔头的有限元分析模型，图４与图５模拟了终　　端杆塔塔头及横担在３０ｍ／ｓ、０。大风工况下的受力　　　　　情况。该塔设计使用条件如下：电压等级为１ｌＯｋＶ，　　　回路数为双回，水平档距为１２５ｍ，垂直档距为１５０ｍ，　　　　　呼高为２４ｍ，导线型号为ＬＧＪ－４００／３５，地线型号为　　　ＬＢＪ一１５０，最大覆冰厚度为５ｒａｍ，最大风速为３０ｍ／ｓ。　　图４杆身０。大风工况应力云图　　　　　　　　　Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｓｓｃｌｏｕｄｏｆ０。ｇａｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｔｏｗｅｒ　　　　　　图５横担０。大风工况应力云图　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．５Ｓｔｒｅｓｓｃｌｏｕｄｏｆ０。ｇａｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｒｏｓｓａｒｌｎ　　　从分析结果可以看出，杆塔塔头在３０ｍ／ｓ、０。大　　　　　　　　　　　　　　风工况下，塔身挠度为２９．９ｍｍ，最大压应力为　　　１５．９ＭＰａ，安全系数为１１．３，最大应力出现在杆身根　　　　　　　　　　　　　部被约束处，横担挠度为１５２．１ｍｍ，最大应力为　　　１６８ＭＰａ，安全系数为７．１，最大应力出现在横担根部　　　　被约束处。从计算结果也可以看出，复合材料由于　其本身高强度而低模量的性质，复合材料杆塔设计　　的主要控制因素应是挠度控制。　　４．２实验设计　　为了验证上述分析的可行性，制备了１：１的复　　　合材料杆塔塔头样品，基体选用改性聚氨酯树脂，增　　强纤维采用无碱玻璃纤维，在中国电科院北京良乡　　杆塔试验基地进行了七个工况的委托试验。试验现　　　场照片如图６所示。　５２　　　　复合材料输电杆塔设计方法讨论　　２０１３年９月　　　图１２杆身测点应力值与计算值对比　　　　　　　Ｆｉｇ．１２Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄ　　　　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓｆｏｒｓｔｒｅｓｓ　　　图ｌ３横担测点应力值与计算值对比　　　　　　　Ｆｉｇ．１３Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄ　　　　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓｆｏｒｓｔｒｅｓｓ　　　　　从上图应力．应变曲线可以看到，塔身与横担的　　　　　线性度非常好，表明了复合材料尚处在弹性变形阶　　　　　　段，也进一步验证了杆塔的安全性还可承受更大的　　　　　　　　　　　　　　极限荷载。塔身测点应力计算误差范围在２～　　　　３ＭＰａ，横担应力计算误差范围为２％～１０％，随着加　　载等级的提高误差逐渐减小。可以看出本文建立的　复合材料杆塔有限元计算模型应力计算是可行的，　能够满足工程实际需要。　　　５结论　　　　　　（１）复合材料性能具有可设计性，制品的设计　　应先从材料开始设计。设计人员应根据构件的受力　　情况来量身订制材料的力学性能；　　（２）采用合适的优化算法对设计参数进行优化　　　选型，能够极大地降低产品生产成本；　　　（３）杆塔超载实验超载至３４５％，塔头各部杆件　未见异常，塔头位移计算值与实验值误差范围为　　０．０４％一７．８％，横担位移计算值与实验值误差范围　　　　　—　为０．１３％一７．４４％。塔身应力计算误差范围为２　　　　３ＭＰａ，横担应力计算误差范围为２％～１０％，达到设　计预期。也验证了本文建立的有限元模型能够很好　　　地模拟复合材料的力学行为；　（４）复合材料杆塔虽然强度较高但模量相对较　　低，因此杆塔的设计宜采取挠度控制。　参考文献　［１］廖英强，苏建河．ＡＮＳＹＳ在复合材料仿真分析中的应用［Ｊ］．玻　　璃纤维，２００６，（４）．　　　—　　［２］ＤｉｍｏｓＪ．Ｐｏｌｙｚｏｉｓ，ＩｏａｎｎｉｓＧ．Ｒａｆｔｏｙｉａｎｎｉｓ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｈｅｌｌｔｙｐｅｔｏ—　　　　　　　ｂｅａｍｔｙｐｅｆｅａｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ郇ｐｏｌｅｓ［Ｊ］＿ＡｒｃｈＡｐｐｌ　Ｍｅｅｈ，２００９，７９：３４７－３５８．　　　　　　　　　［３］周鹏展，肖加余，曾竞成，王进，杨军．基于ＡＮＳＹＳ的大型复合材　　料风力机叶片结构分析【Ｊ］．国防科技大学学报，２０１０，３２（２）．　　　　　　　［４］赵娜，李军向，李成良．基于ＡＮＳＹＳ建模的风力机叶片模态分析　　　及稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１０，（６）．　　　　［５］贾红雨，张璐璐．基于三种不同轮毂材料的储能飞轮转子有限元　　　分析［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１２，（７）．　　　　　　　［６］段成红，吴祥，罗翔鹏．碳纤维缠绕复合气瓶爆破压力的有限元　　　分析［Ｊ］．玻璃钢复合材料，２０１２，（２）．　　　—　—　［７］Ｓ．Ｉｂｒａｈｉｍ，Ｄ．Ｐｏｌｙｚｏｉｓ．Ｏｖａｌｉｚａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓ　　—　ｔｉｃｐｏｌｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９９，（４５）：７１２．　　—　　　　　［８］ＡｍｉｒＦａｍ，ＹａｉｌＪ．Ｋｉｍ，ＪｅＫｕｋＳｏｎ．Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏ　　　　　　　　　　　ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｆｒｅｅｅｎｄｔｕｂｕｌａｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｅｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏａｘｉａｌ　ａｎｄｌａｔｅｒａ　　　　ｌｌｏａｄｓ［Ｊ］．ＴｈｉｎＷａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔ，２０１０，０４：００２．—　　　　　　—　［９］ＳｈｉｎｅｔｓｕＦｕｊｉｍｏｔｏ，ＨｉｄｅｋｉＳｅｋｉｎｅ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｒａｃｋａｎｄｄｉｓ　　　　　　　　　　ｂａｎｄｆｒｏｎｔｓｉｎｒｅｐａｉｒｅｄａｉｒｃｒａｆｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｎｅｌｓｗｉｔｈｂｏｎｄｅｄＦＲＰ　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｔｃｈｅｓ．　　　　　　　［１０］李顺林，王兴业．复合材料结构设计基础［Ｍ］．湖北：武汉工业　　大学出版社，１９９３．１－６．　［１１］赵美英，陶梅贞．复合材料结构力学与结构设计［Ｍ］．西安：西　　　　北工业大学出版社，２００７．　　　　　　　　　［１２］陆洲．２２０ｋＶ钢管杆设计的最优参数及设计要点［Ｊ］．红水河，　２００７，（２）．　　　　　　　　［１３］沈才元，章志鸿．１１０ｋＶ钢管杆设计的几点思考［Ｊ］．华东电力，　２００３，（１２）．　—　　　　　　　［１４］ＡｍｉｒＦａｍ，ＪｅＫｕｋＳｏｎ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｈｏｌｌｏｗａｎｄ—　　　　　　　ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｕｂｅｓｉｎｆｌｅｘｕｒｅ：Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　　ｐａｒｔｉａｌｆｉｌｌｉｎｇａｎｄａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｏｌｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００８，（３Ｏ）：２６６７－２６７６．　　［１５］ＧＢ．５０５４５－２０１０，１１０ｋＶ～７５０ｋＶ架空输电线路设计规范［ｓ］．　　［１６］ＤＬ／Ｔ８９９－２００４，架空线路杆塔结构荷载试验［ｓ］．　　　　Ⅱ　　　　　　　ＴＨＥＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮＯＦＤＥＳＩＧＮＩＮＧＦ；ＥＲＲＥＩＮＦＯＲＣＥＰＬＡＳＴＩＣＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＴＯＷＥＲ　　　　—　　　ＬＩＵＨｕａｎ．ｈｕａｎ，ＬＩＵＭｉｎｇｈｕｉ，ＹＵＸｉｎ　　　ｆ１．ＷｕｈａｎＮａｉ　　　　　　　　　　　ｌＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｍｐａｎｙ．ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　２．ＤａｎｄｏｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｄａｎｄｏｎｇ，１１８０００，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｓｉｇｎＦＲＰｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ，ｕｓｅｄａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ　　　　　　　　　　　　　　　　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｍ０ｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒＦＲＰｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ，ａｎｄｂｕｉｌｄａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎＡＮＳＹＳｆｏｒ　　　　　　　　　　　　　　　　１１０ｋＶＦＲＰｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｃｒｅｄｉｂｌｅ．　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｏｗｅｒ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ＦＥＡ；ＡＮＳＹＳ；ＦＲＰ　　矸，ＣＭ。２ｏｌ３