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　３６　复合横担结构参数对胶接应力的影响　　２０１５年８月　　　复合横担结构参数对胶接应力的影响　　　　　　赵华赘，郁杰，邱勇　　　　　　　（江苏神马电力股份有限公司，江苏南通２２６５５３）　　　摘要：研究了输电杆塔用复合横担节点的可靠性，建立了横担的简化力学模型，分析了粘结应力的产生机理和节点失效　　　　原因，并借助ＡＢＡＱＵＳ软件进行了仿真分析，得到了粘结应力与横担总长、玻璃钢筒内径、玻璃钢筒厚度、金属套筒高度、金属　　套筒厚度等关键尺寸的关系曲线，为复合横担的结构设计与优化提供了参考。　　关键词：输电杆塔；复合横担；节点可靠性；粘结应力；仿真　　　　——　中圈分类号：ＴＢ３３２；ＴＧ４９７文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１５）０８００３６０５　　　复合材料作为一种功能材料，因具有质量轻、强　度高、耐腐蚀、绝缘性好、易加工、节能环保等特　“　　　点Ｊ，逐步受到工程界的青睐。随着复合材料技　　　术研究的深入和材料加工工艺的发展，其物理力学　　　　性能得到进一步提高，这使得复合材料运用于输电　　　　杆塔领域变成了现实～。自国家电网公司开展复　　　合材料杆塔应用研究以来，国内多个设计制造单位　　　都参与到复合材料杆塔设计与应用的研究当中。各　　参研单位对全系列复合杆塔进行了研究设计　，　　　目前我国已有多条复合材料杆塔线路挂网运行，且　　运行情况良好。　无论是全复合杆塔还是复合横担杆塔，连接部　　　位往往是结构的力学薄弱部位，对连接节点的设计　　　　　　是复合材料结构设计的重点与难点。目前国内　　　外对复合材料的节点连接主要采用螺栓连接、胶接、　　　　螺栓一胶接混合连接和预埋金属接头连接四种连接　　　方式。同时在借鉴预埋金属件接头、螺栓连接和胶　　　接等连接方法的基础上，又形成了一种新型节点连——　　接方式带法兰盘套筒胶装式节点连接（下称法　　兰胶装连接），该连接方式是先将带法兰盘金属套筒　　　与复合材料管（或柱等）粘接，再将法兰与其他零部　　　件通过螺栓连接。这五种连接方式的优缺点比较如　　表１所示　　　。比较五种方案可以发现，法兰胶装　　连接可靠性高，承载能力强，可控制结构变形，加工　　　安装方便，最适合用于复合杆塔的节点设计。　　　　　作为架空输电线路的承载结构，杆塔的力学可　　　靠性直接决定着该段线路运行的可靠性；同时，作为　　　　　杆塔力学性能重要的制约因素，节点部位的连接又　　　　在很大程度上影响着整塔的力学性能，因而对复合　　　杆塔节点连接性能的研究至关重要。本文从结构设　　　计角度出发，研究了关键特征尺寸对复合横担法兰　胶装连接节点胶装强度的影响。　　　　表１节点连接方案对比　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｊｏｉｎｔｍｅｔｈｏｄｓ　　——　收稿日期：２０１５０３２５　　　　　　　　作者简介：赵华赞（１９８８一），男，硕士，力学工程师，主要从事复合杆塔研发与设计工作，ｚｈｙｕｎ＠ｓｈｅｎｍａｐｏｗｅｒ．ｃｏｒｎ。　　　２０１５年第８期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３７　　　１研究对象　　所研究横担结构简图如图１所示。其中对产品　　　　性能影响较大的几个关键尺寸如下：横担总长，绝　　　　缘筒内径ｄ，绝缘筒外径Ｄ，套筒高度，套筒壁厚ｔ，　　具体描述见图１中指引。本文通过改变其中一个尺　　　寸参数，控制其余参数不变，来研究胶装粘结应力的　　　改变，最终对复合横担结构的设计与优化给出参考。　另外需要说明的是，本文第三章节中，所选尺寸仅作　　仿真分析用，并无实际生产意义。　　　图１横担结构简图　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｒｏｓｓａｒｌｎ　　２受力分析　　　架空输电线通过金具悬挂于横担的端部，其重　力（复合横担轴向承载能力较强，因而这里只讨论其　　　　　　横向受力）对横担的作用可以简化为一个作用于横　　　　担右端法兰上的集中力Ｆ，如图２（ａ）所示。在横担　　　　　　　　左侧金属套筒上取截面，假设截面上的剪力和　　　　　弯矩为Ｆ和。由静力平衡方程可得：　　Ｆ＝Ｆ　（１）　　Ｍ：Ｆｌ　（２）　　令：　Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３　（３）　　　　Ｍ＝Ｍｌ＋Ｍ２＋３　（４）　　　　　　　　　　　　其中，Ｆ、，、Ｆ和。、、分别为金属套筒、　　　胶与玻璃钢筒各自承担的剪力和弯矩。　　　　　对图２（ａ）中左侧套筒做单独力学分析，如图２　　（ｂ）所示。根据力的平衡，必存在外部作用力，与Ｆ　　　　和组成平衡力系，此外力便是胶所提供的粘结应　　　　　　　　力，用（法向）和（切向）表示。ｏｒ和大小相等，　　　　　　　　　　方向相同，它们对面积的积分与Ｆ组成一对平衡　　　　　　　　　　　力；与大小相等，方向相反，它们对面积的积分　　　　　与。组成一对平衡弯矩，即：　　　　Ｆ１＝ｆ（ｏｒ＋）ｄｓ＝２ｌｏｒｄｓ　（５）　Ｊ　Ｊ　Ｓ　　　　　１＝Ｊ（ｒ＋ｒ）６ｆｓ＝２ＩＴｒｄｓ　（６）　　　　式中，ｒ、ｒ分别为、作用点距套筒中性层【ｌ副　　　　　的距离，ｒ、ｒ、ｒ、都是与作用点位置有关的函数。　　　　　粘结应力和由胶与套筒之间的胶黏作用提　供，为材料胶接性能的基本参数，由式（５）和式（６）　　　　　　　　　　可以看出，当Ｆ和Ｍ过大，需要与其平衡的ｏｒ或　　　　　　　超出了胶接所能提供的最大应力（胶接强度）或　　　　　　时，就会产生脱胶失效，造成横担破坏，承载能力　丧失，因而对横担胶装可靠性研究就可以等效于对　　　　粘结应力和的研究。由于切向剪切失效为胶接　　　的主要破坏形式，故本文仅研究法兰胶装连接的切　　向粘结应力。－　　，　（ａ）横截面Ａ－Ａ受力　　　　　　（ａ）Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｒ０ｓｓｓｅｃｔｉｏｎＡ　（１　Ｆ　　（ｂ）套筒局部受力图　　　　　　（ｂ）Ｌ０ｃａｌｆｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｌｅｅｖｅ　　　图２横担局部受力图　　　　　　　　Ｆｉｇ．２ＬｏｃａｌｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆＣＹＯＳＳａｎｎ　　３仿真研究　　３．１有限元模型¨　ｂ．　　　　本节借助ＡＢＡＱＵＳ软件对横担胶装粘结应力　　　　进行有限元仿真研究。横担结构模型如图３（ａ）所　　　　示，由于结构和载荷均对称，为减少计算量，建立图　　示对称模型，在对称面施加对称约束；将横担左端施　　２０１５年第８期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３９　　　图５切向粘结应力与玻璃钢筒内径的曲线关系　　　　　　　Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｂｏｎｄｓｔｒｅｓｓ　　　　　　　ａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｆＦＲＰｔｕｂｅ　　　　　　从图５可以看出，切向粘结应力随着玻璃钢筒　内径的增加呈下降趋势，且二者具有良好的线性关　　　系。这可能是因为，随着玻璃钢筒直径的增加，金属　套筒与胶的接触面积变大，从而造成了粘结应力的　　减小。　　　　　３．４玻璃钢桶厚度对粘结应力的影响　　保持玻璃钢筒内径为８０ｍｍ不变，改变其外径，　　　　使其从ｌＯＯｍｍ到１２０ｍｍ变化，间隔为１ｍｍ，即改变　　　　　　玻璃钢筒厚度，使其从ｌＯｍｍ到２０ｍｍ变化，间隔为　０．５ｍｍ。其余尺寸固定不变，得到套筒与胶的切向　　　粘结应力随玻璃钢筒厚度的变化曲线，如图６所示。　　　图６切向粘结应力与玻璃钢筒厚度的曲线关系　　　　　　　Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｂｏｎｄｓｔｒｅｓｓ　　　　　　ａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆＦＲＰｔｕｂｅ　　　　　从图６可以看出，切向粘结应力随着玻璃钢筒　　　厚度的增加呈明显的指数规律减小，可以预测出，在　　　　　　玻璃钢筒厚度超过２０ｒａｍ之后的某个值以后，切向　　　粘结应力变化趋势平缓，趋于一个稳定值。　　３．５套筒高度对粘结应力的影响　　　　保持产品长度、玻璃钢筒直径等尺寸不变，仅改　　　　　　　变套简高度，使其在５０ｍｍ到ｌＯＯｍｍ之间变化，间　　　隔为１ｍｍ，得到套筒与胶的粘结应力随套筒高度的　　　变化曲线，如图７所示。　　图７切向粘结应力与套筒高度的曲线关系　　　　　　　Ｆｉｇ．７Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｂｏｎｄｓｔｒｅｓｓ　　　　　　ａｎｄｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｍｅｔａｌｓｌｅｅｖｅ　　　　由图７可以看出，随着套筒高度的增加，切向粘　结应力呈锯齿状跳动，但波动幅度很小，且整体呈下　　　　　降趋势。另外，套筒高度在５０ｍｍ到６０ｍｍ之间变　　　　　　化时，切向粘结应力衰减迅速；在６０ｍｍ之后，衰减　　趋势逐渐平缓，可以预测在超过ｌＯＯｍｍ以后，最终　　趋于稳定值，整体衰减趋势类似于指数规律。　　　３．６套筒厚度对粘结应力的影响　　　改变套筒厚度，使其在２０ｍｍ到３０ｍｍ之间变　化，间隔为０．５ｍｍ，其余尺寸保持不变，得到套筒与　　　　胶的粘结应力随套筒厚度的变化曲线如图８所示。　　图８切向粘结应力与套筒厚度的曲线关系　　　　　　　Ｆｉｇ．８Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｂｏｎｄｓｔｒｅｓｓ　　　　　　ａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｓｌｅｅｖｅ　　　　由图８可以看出，随着套筒厚度的增加，切向粘　　　结应力的变化趋势呈阶梯上升状。套筒厚度为２２．５　ｍｌｎ之前，该阶梯的台阶宽度（纵坐标保持不变，横　　　坐标的跨度）为０．５ｍｍ；套筒厚度在２２．５ｍｍ到２５．５　　　　ｍｍ之间时，台阶宽度为１ｍｍ；当套筒厚度超过２５．５　　　ｍｍ以后，台阶宽度增加到１．５ｍｍ。由此说明，在套　筒厚度较薄时，切向粘结应力对套筒厚度的变化较　　　　为敏感，套筒厚度的每次改变，几乎都会造成切向粘　结应力的变化；而当套筒厚度达到一定值以后，切向　粘结应力对套筒厚度变化的敏感度降低，只有当套　复合横担结构参数对胶接应力的影响　　２０１５年８月　　　　筒厚度变化量累计到一定数值以后，切向粘结应力　才会有相应的变化。　　　４结论　本文通过简单的力学模型对输电杆塔用复合横　　　　担法兰胶装连接节点进行了受力分析，得到了胶接　　　　　应力的产生机理和节点失效原因，并利用ＡＢＡＱＵＳ　软件对法兰胶装连接节点进行了可靠性分析。分别　　　　　研究了横担总长、绝缘筒内径ｄ、绝缘筒外径Ｄ、套　　　　筒高度日、套筒壁厚ｔ等关键尺寸对胶装粘结应力　的影响。研究发现，套筒与胶的切向粘结应力随横　担长度与套筒厚度的增加呈上升趋势；而随着玻璃　钢筒内径、玻璃钢筒厚度以及套筒高度的增加呈下　降趋势。结论对复合杆塔横担结构设计具有指导意　义，当设计的横担在力学上不能满足载荷工况要求　　　　　　时，可以根据以上规律，调整横担的某个或多个尺　　寸，以减小粘结应力的数值，在设计过程中免去多次　试探计算和试验验证，提高设计效率和减少设计　成本。　参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　　［１］沈观林，胡更开．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版　　社，２００６．　　　　　［２］沈军，谢怀勤．航空用复合材料的研究与应用进展［Ｊ］．玻璃钢／　—　复合材料．２００６，（５）：４８５４．　［３］满兴博，李钢锋，李永金，等．玻璃纤维复合材料拉伸试验及强　　　度预测模型［Ｊ］．电力建设，２０１３，３４（１２）：９７．１０１．　　　　　　　　　［４］杜善义．先进复合材料与航空航天［Ｊ］．复合材料学报，２００７，　２４（１）：１－１２．　　［５］施荣，郁杰，朱勇，等．７５０ｋＶ输电塔复合横担选型及承载力研　　　究［Ｊ］．电网与清洁能源，２０１３，２９（９）：２３．２６．　［６］孙强，朱勇，施荣，等．７５０ｋＶ复合横担连接节点受力计算［Ｊ］．　—　电网与清洁能源，２０１４，３０（２）：３８４２．　［７］左玉玺，薛更新，孙强，等．７５０ｋＶ输电线路复合横担设计研究　　［Ｊ］．电网与清洁能源，２０１３，２９（１）：１．８．　［８］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　—　与应用，２００６，３０（５）：１９２３．　［９］孙仲齐，陈关甫，黄李烟．采用新模式复合杆塔解决输电系统闪　　　—　络跳闸问题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