架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒的弯曲力学性能仿真曾伟

架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒的弯曲力学性能架空导线用纤维增强树脂基复合材料芯棒的弯曲力学性能 仿真曾伟仿真曾伟 2018年第3期No 32018电线电缆Electric Wire Cable2018年6月Jun 2018架空导线用纤维增强树脂基复合 材料芯棒的弯曲力学性能仿真曾伟 上海电缆研究所有限公司 上海 200093 摘要 主要研究纤维增强树脂基复合材料芯棒在遭受过度弯 曲时的抗弯强度 通过应用Eshelby法建立复合材料的数学模型 利用ABAQUS软件对复 合芯棒卷绕过程进行非线性有限元分析 从数值上研究复合芯棒在受到弯曲时 等效应力的分布情况 为制 定复合芯棒国家标准的卷绕试验提供理论依据 结果表明 仿真结果与试验结果比较吻合 卷绕模型能够较好地模 拟复合芯棒卷绕过程 关键词 复合材料 芯棒 架空导线 卷绕 仿真 TM244 2 A 1672 6901 2018 03 0013 04Simulation ofBending Performanceof ContinuousFiber einforced Epoxy esin CompositeCore forOverhead LineConductorsZENG Wei Shanghai ElectricCable esearch InstituteCo Ltd Shanghai200093 China Abstract This papermainly studiesthe bendingstrength offiber reinforcedresin matrixposites subjectedto overbending The Eshelbymethod wasapplied tobuild amathematics modelfor the posite and nonlinearelement a nalysis oftheposite core s windingprocess iscarried outby usingABAQUS Distribution ofequivalent stressofthe bendingposite corewas studied which providedthe theorybasis forwinding testmethod ofposite corena tional standard The resultsshow thatsimulation resultsagree wellwith thetest results and the winding modelcansimulate wellthewindingprocess ofposite core Key words posite positecore overhead lineconductors winding simulation xx 12 18作者简介 曾伟 1984 女 硕士 工程师 作者地址 上海市军工路1000号 200093 0引言随着现代经济的飞速发展 对电力需求大幅度攀升 输电线 路已不堪承受传输容量的快速扩容 近年来 为了提高电网的输电能力 各国电力科技工作者不断探索 新型导线以取代传统的钢芯铝绞线 ACS 如为提高防腐性能开发的铝包钢芯铝绞线 为提高强度开发的钢芯铝 合金绞线 全铝合金绞线 铝包钢芯铝合金绞线等 为提高导线耐热 性能和输送容量开发的各种耐热铝合金导线 为降低导线弧垂开发的 用殷钢芯代替普通钢芯的低弧垂导线等 我国从xx年起在输电线路上试用碳纤维导线 ACCC TW 见图1 该导线内部是由连续的碳纤维嵌入高温环氧树脂作为中心层 在碳 纤维芯周围再包覆一层玻璃纤维树脂复合材料制成的复合芯 外部 由一系列呈梯形截面的软铝线绞合而成 因其特殊的结构及组合方式 相比于同规格的钢芯铝绞线 ACCC导 线具有强度高 膨胀系数低 载流量大 弧垂小 耐温级别高 密 度小 耐腐蚀等优点 即使在导线载流增加 导线温度提高以后 导线的运行仍是安全可靠的 可以说碳纤维导线对老旧线路的扩容改造和新建线路的建设有其优 势 本文主要是针对纤维增强树脂基复合材料芯棒的结构特点 采用ABA QUS软件建立的几何模型 确定模型的边界条件 模拟在复合芯棒在 弯曲时应力的分布情况 1复合材料特性影响复合材料有效弹性模量的因素可分为两类 一类 是复合材料中每一组分材料的弹性常数 另一类是复合材料内部的微 结构特性 它包括夹杂 纤维 颗粒 晶须 空洞 裂纹等 的形状 几何尺寸 在基体中的分布和夹杂之间的相互作用 目前 考虑这两类因素的影响 研究复合材料有效性能的细观力学 方法很多 主要有自洽理论和基于EshelbyDOI 10 16105 j ki dxdl 2018 03 003图1碳纤维导线ACCC TW示意图等效夹杂理论的诸多方 法如割线模量法 切线模量法 微分法等 其中自洽理论和微分法 具有一定的局限性 当基体进入弹塑性变形后 基于线弹性本构理论的Eshelby等效夹杂 方法可推广应用于非线性基体夹杂问题 复合材料的弹塑性和热力学性能可通过式 1 式 2 计算得到 其中C C和 C分别是复合材料的刚度矩阵和线膨胀系数 CTE C C C 1M V F C F C M S V F S I C M 1 CF C M C 1M 1 1 C M V F C M C F S V F S I C M 1CF F M 2 式中 V F为纤维体积占复合材料总体积的比值 为线膨胀系数 C M C F S和I都是矩阵 C M和C F分别为树脂 纤维的刚度矩阵 S为Eshelby矩阵 I为单位矩阵 C的下标M F分别对应为复合材料的树脂和纤维 从式 1 式 2 中可以看出 复合材料的材料特性与纤维体积密切相关 通过对比 Eshelby矩阵更适用于长纤维复合材料计算材料特性 应用Eshelby等效夹杂理论中的Mori Tanaka模型计算时 必须满足以下几个要求 1 所有纤维为无限长 均匀 且为各向同性 2 对于单向长纤维复合材料 假设横截面为椭圆形的纤维在无限长 时横截面近似为圆形 3 假设所有纤维都是均匀分布在基体中 4 碳纤维不受各向同性的限制 但是玻璃纤维应受到各向同性的限 制 这里主要采用的简化假设是 在单向纤维复合材料中 纤维和基体在 纤维方向的应变是一致的 如图2所示 即垂直于1轴的界面加载前 后保持平面 在此基础上求出正交材料力学特性 例如 纤维增强复合材料的弹 性模量用纤维和基体的性能以及它们的相对体积含量来确定 C ij C ij E F V F v F E M V M v M 3 式中 E F为各向同性纤维的弹性模量 V F为纤维体积占复合材料总体积的比值 v F为各向同性纤维的泊松比 E M基体的弹性模量 V M为基体体积占复合材料总体积的比值 v M为基体的泊松比 图21方向受力的体积单元2复合芯棒弯曲有限元模型弯曲模型是建立 在非线弹性分析模型的基础上 利用ABAQUS Standard v 6 9 1软件对复合芯棒力学性能进行弯曲模拟仿真 2 1复合芯棒几何模型复合芯棒在弯曲变形时是一个几何非线性的结 构 属于轴对称受力系统 建模时可考虑用简化结构 仅对四分之一的圆形卷轴建模 反之由 于平面对称 芯棒和卷轴分别可用二分之一的芯棒和卷轴表示 芯 棒的长度可取四分之一的卷轴弧长 建模时 将复合芯棒视为柔体 由可变形单元组成 将卷轴视为刚 体 由刚性单元构成 假设ACCC芯棒长度为700mm 外径D为9 0mm 几何模型如图3所示 图3ACCC复合芯棒几何模型2 2材料参数当碳纤维含量较少时 复合 芯的硬度提高不多 此时主要是基体承载负荷 当碳纤维体积的比例 超 41 2018年第3期No 32018电线电缆Electric Wire Cable2018年6月Jun 2018过一定量时 载荷主要由纤维承 担 对不同纤维体积分数的复合芯棒进行试验 结果表明当纤维含量在6 0 70 之间 复合芯棒可以获得较好的综合性能 表1为当纤维体积分数达到70 时计算得到的复合材料特性 表1复合材料特性特性复合材料特性碳纤维 环氧树脂基复合材料玻 璃纤维 环氧树脂基复合材料轴向弹性模量 GPa162 0854 28横向弹 性模量 GPa8 0512 08轴向泊松比0 270 21横向泊松比0 020 05轴向 剪切模量 GPa2 926 492 3边界条件在复合芯棒弯曲之初 芯棒末端 表面的节点与卷轴是相互接触的 芯棒轴y轴正方向的自由度受约束 此外 最初与卷轴接触的所有节点z轴方向的自由度是完全被约束的 这么做的目的是为了增加系统的稳定性 防止在运动过程中芯棒 与卷轴之间产生滑移 轴向纤维方向最初与x轴一致 z轴垂直于轴向纤维方向 所有模型 变形都是由一个集中载荷作用于芯棒末端的参考点上 参考点与芯 棒末端面进行运动耦合 载荷以这种方式转移到芯棒 这样可以避免单元的沙漏 缓慢增加载荷 使芯棒完全围绕卷轴 2 4网格划分考虑到芯棒弯曲变形既要求单元有一定的 刚性 即 抗畸变的能力 以避免频繁的网格再划分 又必须要有一定的 柔性 即良好的变形特性 以准确地模拟芯棒的弯曲 还必须具有较高 的求解精度 复合芯棒弯曲属于大变形强非线性变形问题 所以C3D8 8节点六 面体线性减缩积分单元 是模拟复合材料芯棒弯曲三维有限元仿真的 首选单元 考虑到需要对不同尺寸的卷轴变化芯棒的长度 故选择在横向和轴 向的网格划分密度保持恒定不变 横向划分密度在芯棒外径保持30个单元 对于不同的芯棒长度轴向 划分密度保持在75个单元 划分网格后复合芯的有限元模型如图4所 示 3计算结果与讨论Von Mises等效应力是指在复杂应力状态下 基于剪切应变能的一种等效 应力 等效应力的数值与屈服应力一样 其大概含义是当单元体的 形状改变图4芯棒在卷绕时的有限元模型比能达到一定程度 材料开 始屈服 因此本文采用等效应力作为衡量导线应力水平的主要指标 3 1复合芯棒卷绕时的应力分布由卷绕引起的复合芯棒内部的等效应 力分布如图5所示 可见最大等效应力集中分布在碳纤维环氧树脂 玻璃纤维环氧树脂复合材料的分界处 一般情况下 试样进行弯曲 试样的最大应力应该分布于芯棒的最 外侧 但是 由于碳纤维具有较大的轴向弹性模量 芯棒的最大抗拉强度 和压缩强度分布在碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料的分界处 此外 分界处的剪切应力小于1MPa 可以忽略不计 图5卷绕时ACCC芯棒的等效应力分布图经过模型计算验证表明 对于 相同模型 在同样的边界条件下 当芯棒与卷轴曲率相同时 所施 加的弯曲力矩不再改变 为了能使芯棒围绕不同的卷轴完全变形 卷轴半径越小 需要施加 的载荷越大 图6中的数据也证实ACCC芯棒的轴向应力受卷轴半径的控制 施加载 荷的大小并不影响芯棒的受力 图6根据每个卷轴直径施加载荷后在复合材料分界面上的最大轴向抗 压强度 51 2018年第3期No 32018电线电缆Electric Wire Cable2018年6月Jun 2018图7为芯棒外径D取8mm 玻纤复 合材料层厚度取0 7mm 卷轴直径分别取50D 55D 60D的卷绕应力 分布图 轴向和环向应力中的一小部分是线性化的 在对比轴向应力后环向 应力基本可以忽略 分析表明 随着卷轴半径的增加 最大抗压强度下降 图7复合芯棒卷绕时应力分布图4结论 1 试验采用ABAQUS有限元软件 对复合材料芯棒在卷绕过程中的分 布应力进行了分析计算 为后续组合载荷分析做好准备 2 模拟计算了相同芯棒外径卷绕在不同直径的卷轴上时 芯棒内部 的等效应力 并指出最大等效应力是集中分布在碳纤维环氧树脂 玻 璃纤维环氧树脂复合材料的分界面处 3 随着卷轴直径的增加 轴向拉 压应力不断减小 两者间成反比 关系 为制定国标中卷绕试验的卷轴半径的确定提供理论依据 参考文献 1 ALAWA A BPSZE EJ NUTT S A positecore conductorforlow sagat hightemperatures J IEEE TransPower Delivery xx 20 3 2193 2199 2 Shokrieh MM Omidi MJ einforcement ofmetallic plateswithposite materials J Compos Mater xx 39 8 723 744 3 庄茁 由小川 基于ABAQUS的有限元分析和应用 第1版 M 北京 清华大学出版社 xx 4 刘智恩 材料科学基础 第2版 M 西安 西北工业大学出版社 xx 5 郝元恺 肖加 余 高性能复合材料学 第1版 M 北京 化学工业出版社 檿檿 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿xx 上接第12页 其介电常数随 温度上升而变大 但因其内含有大量的空气隙 使其导热特性变差 会阻碍绝缘体散热而影响电缆的载流能力 2 缓冲层的厚度在能保证XLPE绝缘层受热膨胀的前提下应以减薄为 好 可以极大地降低热阻 增加导热效果 3 有效控制缓冲层与金属护层的间隙 空气隙 或减薄间隙直至紧密 接触 将有利于改善缓冲层与金属护层内的电场分布 避免空气隙 承受较高的电场强度而与金属护层产生局部放电现象 4 金属护层的螺旋轧纹并非越深越