瓷支柱绝缘子ANSYS仿真

1、项目总结电气0912班 卢晨我主要负责仿真部分，故主要对仿真过程中遇到的困难及所得到的仿真结果进行总结，对于支柱绝缘子的性质及目前采用的探伤方法等省略不述。一、建模采用自底向上的建模方法，先定义关键点，然后由点到线、到面、再到体，完成支柱绝缘子的模型建立。数据采用华北电力大学硕士学位论文瓷支柱绝缘子振动声波探伤的初步研究中数据进行模拟。最后数据应采用所研究的支柱绝缘子所提供的数据经过计算得到。应计算的参数有伞数、总高、最大伞径、上下安装孔尺寸等。对于支柱绝缘子所用的材料的物理性质也要有所了解，以配合仿真。例如陶瓷部分及铸铁部分的单元类型、弹性模量、泊松比、密度及波速等。在本次仿真中采用数据如下

2、：陶瓷：采用Solid65单元类型杨氏模量7.3×1010N/m2波松比为0.38波速为3.1x103m/s密度为7.6x103kg/m3单元类型:Solid 65三维钢筋混凝土实体单元，能够计算拉裂和压碎；在混凝土应用中，该单元的实体功能可以用于建立混凝土模型，同时，还可用加筋功能建立钢筋混凝土模型；该单元由八个节点定义，每个节点有三个自由度：节点坐标系的x、 y、z方向的平动。本混凝土单元与SOLID45 (三维结构实体)单元类似，只是增加了特别的断裂和压碎功能；所建立的混凝土模型具有断裂（沿三个正交方向）、压碎、塑性变形和蠕变功能；钢筋模型具有拉伸和压缩功能，没有剪切功能。铸铁

3、部分：采用Solid186单元类型杨氏模量1.05×1011Nm2波松比为0.28波速为3.7×103ms密度7.7x103kgm3设置方法为：选择主菜单中的PreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，依次双击右边的Material Models Available列表框中的StructuralLinearElastic Isotropie选项，在随之弹出的Linear Isotropic Properties for Material Number对话框中输

4、入材料的弹性模量和泊松比。完成后，点击Fluids/Viscosity选项，在对话框中输入波速。完成后点击Acoustics/Density选项，输入密度。因为在Ansys中对于各物理量的单位没有要求，因此只要符合一统一标准即可，但是需用e表示。设置好属性后，在主菜单中选择Prepeocessor菜单，在展开的子菜单项中选择Element Type，展开下面的子菜单项，选择AddEditDelete命令，弹出Element Type对话框，单击Add按钮，添加单元，弹出Library of Element Type对话框，可以看到Library of Element Type列表框中所提供的单

5、元类型。将材料与单元属性匹配即可。具体的匹配过程，在网格划分时通过人为选择完成。通过支柱绝缘子的具体数据，通过画图完成建模。完成后的图形如下：所用的支柱绝缘子尺寸为：关键点的生成：选择主菜单命令PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS打开如图所示的Creat Keypoints in Active Coordinate System对话框。以当前激活坐标系为参照输入关键点坐标，单击OK按钮则该关键点被创建，如果要连续定义几个关键点，输入坐标后单击Apply按钮，然后继续下一个关键点坐标的输入。在此，需要创建关键点：K1(0，0，O)，K2(

6、0,0116，O)，K3(003，0116，0)，k4(003，006，O)，K5(007875，006，0)，K6(O07875，0054，0)，K7(0105，0054，0)，K8(01082，008645，0)，K9(0105，0096，O)，K10(0116，0096，0)，K11(0135，0054，0)，K12(01575，0054，0)，K13(03675，0054，O)，K14(O3675，006，O)，K15(039，006，0)，K16(039，009，0)，K17(042，009，0)，K18(042，0，0)，K19(006，0，0)，K20(006，0054，0)，K

7、21(038，0054，0)，K22(038，0O)线的生成：选择主菜单命令PreprocessorModelingCreateLinesLines/In Active Coord，选择两个已有的关键点即可定义。先建立直线LSTRl-2，LSTR2-3，LSTR3-4，LSTR4-5，LSTR5-6，LSTR6-7，LSTRI 1-12，LSTRl3-14，LSTRl4-15，LSTRl5-16，LSTRl6-17，LSTRl7-18，LSTR20-6，LSTRl9-20，LSTRl32l，LSTR21-22，LSTRl8-22，LSTR22-19，LSTRl9-1。其次，生成曲线。选择主菜单

8、PreprocessorModelingCreateLines/SplinesSplines thru KPs，依次选择处于样条曲线上的关键点，单击OK按钮，即可生成曲线。再次，建立与已知两线(曲线和直线)相切的曲线。选择主菜单PreprocessorModelingCreateLinesLinesTan to 2 lines，首先选中已知线，点击Apply，然后点击要与该线相切的关键点，点击Apply，再次，选中另一条已知线，点击要与该线相切的关键点，点击OK，这样与两条已知线同时相切的线即会被建立起来。最后，复制曲线选择主菜单PreprocessorModelingCopyLines，选中

9、由关键点7、8、9、10、1 1、12组成的曲线，出现Copy Lines图框复制的个数为4个，但是在这里要填5，它的本身是算在其中的，因为伞与伞之间的距离是00525研，因此在X方向输入间距00525，点击OK，这样就会复制出所要的曲线。复制完以后，要利用主菜单PreprocessorModelingOperateBooleansGlueLines把所有的线粘在一起。面的生成：选择主菜单命令PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines，依次选择组成面的闭合的线，即可得到面。体的生成：采用面绕轴旋转拉伸生成体，选择主菜单命令Prepeoces

10、sorOperateExtrudeAreasAbout Axis，以中轴线为轴旋转360度得到体。打孔：首先，选择WorkPlane，点击offset WP by Increments，出现Offset WP对话框，在X，Y，Z Offsets输入(0，009，O)，在XY，YZ，ZX Angles输入0，90，90，点击OK，坐标将移动到此处(0，009，O)，坐标系将随之旋转。X，Y，Z Offsets表示工作平面在原有坐标原点下向X,Y,Z轴移动的位移，有正负之分。XY，YZ，ZX Angles表示XY平面绕Z轴旋转角度、YZ平面绕X轴旋转角度、ZX平面绕Y轴旋转角度。将工作平面移动到所

11、需位置后，选择主菜单PreprocessorModelingCreate/VolumesCylinder/Solid Cylinder，出现对话框Solid Cylinder，输入半径0007，厚003，这样就会产生一个圆柱。然后，点击最上方的Workplane/Offset WP to/Global Origin，工作平面被移回原点，再根据需要重新设定，以得到后面七个圆柱体。当然，也可以根据前一次移动后得到的结果直接输入增量得到下一个工作平面，但我认为第一种方法较为准确。网格划分：网格划分前先要定义单元属性，其定义方法在开头部分已经介绍过，故不再赘述。首先，在最上方的Select选择enti

12、ties选择Volumes，点击OK，选中将要划分的体，利用主菜单命令PrerocessorMeshingMesh Attributes将单元类型、材料类型和几何实体模型相对应起来，即将铸铁与陶瓷部分的单元类型、材料类型与几何实体模型相对应起来。其次，选择主菜单命令PreprocessorMeshingMesh Tool，弹出Mesh T001分网工具对话框，在Element Attributer设置单元属性，此处选择Volumes。选中Smart size复选框，通过下方的滑块进行Smart size分网水平的控制，数字越大，说明将来划分的网格越粗糙，反之，越小，网格划分的越细。此文中划分陶

13、瓷部分和铸铁部分均是选择的4，在Mesh复选框设置单元形状，此处选择Tet。 最后，点击Mesh按钮，划分网格，对于陶瓷部分和铸铁部分分开划分网格，方法一样。完成上述步骤即可获得划分好的模型。二、求解根据论文中的思路，我先运用了瞬态动力学分析，并选择完全法进行求解，但是并没有得到论文中的理想结果。在查阅了其他的有关Ansys求解方法并结合实际试验，采用了模态分析的方法进行了求解，但时间仓促并没有进行大量的模拟，只得到了完整的支柱绝缘子（无裂纹）的少数数据，与实验数据相比，验证了其可行性。在此，对于动力学分析，因其方法复杂且结果不理想，故不进行详细描述，只列出用模态分析的方法。ANSYS中的模态

14、分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、Power Dynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。本次采用分块Lanczos法。选择主菜单SolutionAnalysis TypeNew Analysis，选中Modal，点击OK。选择主菜单SolutionAnalysis TypeAnalysis Options,在对话框中Mode Extraction Method选中Block Lanczos。在求解前，应先定义模型的自由度及载荷。选择主菜单Solution

15、Define LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，在铸铁两底端分别选择两个节点进行X方向约束，以防敲击时绝缘子随敲击方向移动，在两个铸铁底座任意选择两个节点施加方向UX的DOF约束。设置载荷可以通过写入载荷步文件的形式完成。在主菜单Solution的选项下点击Unabridged Menu得到完整的菜单，选择Load Step Opts/Write LS File，在对话框中写入需要的数据，需要注意的是，载荷步文件必须按载荷的顺序写入，且单位与材料属性（泊松比等）保持一致，用e写入。仿真中采用三个载荷步文件，载荷步1：步长1×10-6s，

16、载荷0N，设定初始状态；载荷步2：步长0.00005s，载荷2000N；载荷步3：步长0.00005s，分3子步，载荷0N。选择主菜单SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce MomentOn node，选择节点l，在节点l施加X方向的力载荷0，点击OK。其余的方法类似。最后进行求解。选择主菜单中的Solution/Solve/Current LS。仿真结果（完整支柱绝缘子）：实验结果：实验中各测试为：测试一：三个传感器分别布置在2、7、13片伞群上，力锤敲击点位于第9片和第10片伞群中间柱面，如图所示。测试二：三个传感器分别布置在2、7、13片伞群上，

17、力锤敲击点位于第4片和第5片伞群中间柱面，如图所示。测试三：三个传感器分别布置在2、7、13片伞群上，力锤敲击点位于法兰盘柱面，如图所示。测试四：三个传感器分别布置在1、7、13片伞群上，力锤敲击点位于第六片伞群上，如图所示。测试五：三个传感器分别布置在1、7、13片伞群上，力锤敲击点位于法兰柱面上，如图所示。测试六：三个传感器分别布置在1、7片伞群上和法兰盘底部，力锤敲击点位于法兰盘底部，如图所示。对比实验数据，可验证仿真的可行性。三、裂纹的获得有两种方法：1、通过先构建完整的支柱绝缘子模型于裂纹模型，再用布尔运算中的体相减命令得到有裂纹的支柱绝缘子。命令为Preprocessor/Modeling/Create/Volumes/Block/By Dimensions。通过上述命令建立所模拟裂纹的尺寸坐标即可。局部放大图如下：通过此种方法，可以自行定义所模拟裂纹的大小及尺寸。其缺点是，对直连型裂纹有较好的相似度，但还不能模拟弯曲型裂纹或Z字型裂纹；其次，用布尔体相减的操作时，是否能对内部的体进行运算我还在查阅相关资料。2、事先画出裂纹的形状及大小，与完整的支柱绝缘子模型进行布尔运算以得到有裂纹的支柱绝缘子。四、总结1. 项目研究进展情况