基于ANSYS的复合材料电缆支架的仿真分析

范龙

(河北省送变电公司，石家庄050000)

摘要：介绍ANSYS软件及复合材料有限元分析的理论基础，对复合材料电缆支架进行有限元分析和仿真分析，结果表明复合材料的电缆支架在强度、刚度、安全性等方面，均优于金属材质的电缆支架。提出复合材料电缆支架设计的合理化建议，为复合材料电缆支架的设计生产提供技术参考。

关键词：ANSYS；复合材料；电缆支架；有限元仿真

收稿日期：2014-09-15

作者简介：范龙(1982-)，男，工程师，主要从事变电一次施工管理工作。

中图分类号：TM247

文献标志码：A

文章编号：1001-9898(2015)01-0018-05

Abstract:The theoretical basis of the composite finite element analysis is introduced, and the composite cable support is simulated by ANSYS. The results show that the composite cable is superior to metal cable bracket in strength, stiffness, safety and the like. Some proposals are put forward for designing rationalization the cable support, and can provide technical reference for the composite cable bracket production.

Simulated Analysis of Composite Cable Support Based on ANSYS

Fan Long

(Hebei Electric power Transmission&Transformation Company，Shijiazhuang 050000，China)

Key words:ANSYS;composite; cable support; finite element simulation

在电力行业中，常用的电缆支架材质为球墨铸铁的铸造支架，它是铺设线路时电缆配套安装的重要组件，其作用是把电缆固定于巷道壁上，应用范围很广，通常应用于变电站电缆层、电缆沟、电缆隧道以及其他电缆构筑物中。由于钢结构电缆支架本身性能的限制，在使用中一直存在着较多的缺点，比如易腐蚀性，设备的维护费用高，使用寿命短等，因此研制质量密度低、强度高、不锈蚀的新型防火高分子材料的电缆支架，来代替传统材料制造的电缆支架是电缆支架未来发展的趋势[1]。高分子复合材料本身具有优良的机力学、耐热和耐高温等性能，特别是树脂基复合材料，本身的耐腐蚀性要远远高于金属材料。复合材料是非铁磁性材料，应用于输电线路中，可以有效避免涡流损耗，具有明显节能降耗效果。基于复合材料的特性，把复合材料应用于电缆支架中，并研究其结构特性，已经成为电力电缆行业迫切发展的方向之一[2]，进一步分析复合材料电缆支架对结构性能的影响，对本行业的实际应用具有十分重要的意义。

1ANSYS软件介绍

ANSYS 作为全球领先的CAE分析软件，几乎能够对所有的工程问题进行模拟分析。ANSYS 融结构、热、流体、电磁、声学等分析功能于一体，可以在同一模型上进行各式各样的耦合计算。ANSYS 能够与多数 CAD 软件接口，实现数据共享与交换，如 pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、UG、AutoCAD、Solidworks 等，这样就使得 ANSYS 能够满足不同层次的分析要求。

ANSYS 作为通用的有限元分析程序，具有先进的求解器，能够在 PC 机以及工作站运行，同时它具备专门的复合材料分析单元，故选择 ANSYS 为复合材料结构的有限元计算软件。

2复合材料有限元分析的理论基础

复合材料是由多层材料层合而成，一般表现为层合板结构，材料的布置方式不同，整体表现出明显的各向异性[3]。复合材料的有限元分析中，首先要掌握材质的力学分析理论及结构分析理论。在具体问题中，无论是结构的刚度、强度或者振动分析，涉及的因素很多，问题较复杂，通常采用有限元分析法来实现其解析。复合材料的有限元分析相对于各向同性的金属材质结构相比，分析过程将有所不同，主要反映在单元离散方法和弹性常数矩阵以及材料的属性。

复合材料的基体一般都是各向同性的，复合材料的非线性弹性主要由纤维引起的。各向同性材料的非线性弹性的应力应变关系和各向异性弹塑性体在主动塑性变形阶段的应力应变关系相同[3-4]。

复合材料中层合板的结构示意见图1，该层合板是由2层以上的单层板粘合在一起的结构体，各层的材料特性、厚度以及铺设方向等可以各不相同[5]。复合材料层合板的优点之一就是可以根据需要设定以上参数，使构件达到最佳承载形式。由于层数的增多以及特性的改变，致使复合材料的层合理论变得更为复杂，主要表现有两方面，其一是由于不同物理性质和几何尺寸单层板组成的层合板具有一般的各项异性；另一方面，这种层合板在厚度方向上具有宏观的非均匀性和力学的不连续性。

图1　层合板的结构示意

在图1中，层合板包括2层叠加的单层板，形成3个表面，即上表面、中面和下表面，其中在中面上建立坐标系，用于推导内力和应变关系式[6]。首先应变与位移的关系式可表示为：

(1)

(2)

对于层合板，假定为壳体类板元，可以不考虑其厚度，因此

(3)

通过在x和y方向上对z进行积分，获得初始值后，并带入式(1)中，可得到应变的表达式为：

(4)

(5)

(6)

式中：u、v、w分别表示层合板在厚度范围内x、y、z轴方向的位移;u0、v0、w0分别表示层合板中面上的点在x、y、z轴方向的位移。

因此，在中面上点的应变与位移的关系可表示为

(7)

从以上层合板的应变表达式中可以看出，层合板上的上表面、下表面上的点与中面上对应的点之间，其面内的应变和弯曲应变有相关性，而且层合板表面任一点的应变值是沿厚度呈线性变化的。

3复合材料电缆支架的有限元分析

以下通过复合材料电缆支架工作载荷下的静态有限元分析，来研究其机械结构性能特性，从而评估电缆支架的寿命[7]。在获得复合材料电缆支架的工作状态、几何参数等信息后，采用PROE5.0软件建立电缆支架的三维模型，在建模时考虑复合材料的层合结构，建立多层面组合，形成电缆支架几何模型，然后通过中间数据文件格式导入有限元分析软件，在前处理中对电缆支架的材质进行选择和定义，接着分析满载荷下的变形和应力，并计算满载荷下的刚度值。

3.1　复合材料电缆支架的模型建立

建立有限元模型有2个途径：一是实体建模法，即利用现有的三维造型软件建立实体模型，通过中间数据文件的形式，把实体模型导入有限元软件，然后对其进行分析；二是直接生成法，该方法是利用有限元软件本身自带的建模模块来完成实体模型的建立。由于实体建模法获得的模型比较精确，修改起来比较方便，具有较高的有效性和通用性，建模效率较高，是一般建模的首选方法，以下电缆支架采用实体建模法。

由于电缆支架为一端固定，另一端为自由端，根据固定方式的不同，有预埋型分体式电缆支架和螺孔型分体式电缆支架。电缆支架的上表面中部安放不同规格的电缆，根据实际需求，电缆支架表面承载的电缆个数可为单个，也可为多个，一般为单个电缆居多。根据电缆支架的承载形式，可以把力学模型简化为变截面悬臂梁结构，其界面形状一般为“工”字形，由上托板、下托板和肋板构成，如图2所示。

图2　电缆支架的结构组成

对于电缆支架的几何结构，现参考某220 kV变电站线路改造中所使用的电缆支架参数作为几何参数，来建立电缆支架的几何模型，见图3，其设计参数见表1。

图3　电缆支架的几何模型

表1电缆支架设计参数

参数名称参数取值总长/mm312电缆中心距/mm200固定端高度/mm65单回电缆垂直负载/N2550截面宽度/mm71截面厚度/mm13

电缆支架的有限元模型中，由于所采用的材质为复合材料，考虑复合材料的铺设角度和层数对结构机械性能的影响，因此在模型建立时，对不必要的特征进行了简化，方便实现网格划分。简化的特征主要包括圆角、曲面等小的特征，模型本身不考虑实际加工过程对材料和结构性能的可能影响，尽可能逼近电缆支架的实际结构，正确反映实际结构的传力线路、受力情况等，在变形方面只考虑复合材料的线弹性行为，忽略铺层之间的相对位移和相对变形。

3.2　复合材料电缆支架的有限元分析步骤

3.2.1材料参数及单元类型选择

复合材料电缆支架主要采用高强度的铝合金为基体，并利用玻璃钢/环氧复合材料作为铺层缠绕于基体周围。高强度铝合金基体的性能参数为：弹性模量E=71 GPa，泊松比ν=0.31，剪切弹性模量G=27 GPa，抗剪强度σ=420 MPa。

玻璃钢/环氧复合材料的材料参数为：E1=49.3 GPa；E2=14.7 GPa；E3=14.7 GPa；G12=6.8 GPa；G13=6.8 GPa；G23=6.8 GPa；ν12=0.296；ν13=0.306；ν23=0.499。

针对复合材料电缆支架的材质，在ANSYS软件中可供选择的单元类型有shell99、Shell191、shell181 3种壳单元和Solid46、Solid191 2种实体单元。以下复合材料电缆支架的基体和铺层结构均可选择实体单元中的Solid191作为模拟单元进行有限元分析。

3.2.2单元划分与边界条件

在ANSYS软件中，提供了多种网格划分方法：自由网格划分、映射网格划分、自适应网格划分以及直接生成网格。电缆支架的结构为复合材料挤压缠绕而成的实体零件，对其进行网格划分，可以采用控制网格边长的方式进行直接生产，然后对局部倒角或设有连接孔的部位进行局部加密处理，产生适应于电缆支架结构的网格图。

对电缆支架的几何模型进行网格划分，得到14 271个单元，24 931个节点。复合材料的电缆支架中的上托板和下托板均为一层单元网格，可以模拟20层复合材料的铺设。

由于电缆与电缆支架一般为弧面接触，因此在电缆支架的上托板中部设有承载面与电缆表面接触，因此在承载面的范围内，对电缆支架施加面载荷，该载荷为电缆支架的工作载荷，一般为相邻电缆支架距离内电缆的质量，该质量转换到电缆支架的承载面，转化为面载荷。因此，根据电缆支架的工作环境及实际公开，需要分析电缆支架的静态应力分析，保证能够承载电缆， 上述载荷施加根据表1中的设计载荷施加即可。

4复合材料电缆支架的仿真分析

4.1　复合材料电缆支架强度和刚度的分析

当复合材料的电缆支架在受到电缆重力的作用，对其固定端进行位移约束，并在承载面上的载荷作用下，可以获得电缆支架在通过大变形的有限元分析结果，由分析结果可提取有关节点的位移、应力、应变等计算后的数值。分析后得到的复合材料电缆支架变形云图，见图4。

图4　复合材料电缆支架变形云

从图4可以看出最大变形点位于电缆支架的自由端，其变形值为0.745 mm。复合材料电缆支架在3个方向上的变形与整体变形对比发现，在y方向上为电缆支架的主变形方向。

然后对电缆支架上托板的中性面上的节点变形值进行提取，获得关于沿电缆支架长度方向L上节点的变形曲线，如图5所示。从图中可以看出，变形曲线随着长度的增加而增加，但是整体并非线型变化，在0~130 mm的节点位移变化为曲线，在130~200 mm的节点近似线形变化，在200 mm以后的节点为水平线。从整个曲线变化趋势来看，整个电缆支架变形趋势符合悬臂梁结构的变形规律，其中个别点处出现曲折，是由于上托板和下托板之间的肋板空腔的y方向的变化，还有在圆角过渡的位置，出现位移变化缩减或者增大的情况，但是对电缆支架整体结构影响不大。

图5　电缆支架上托板中性面上节点变形

从上面分析中，提取出复合材料电缆支架的应力变化云图，图6为复合材料电缆支架整体应力云图。

图6　复合材料电缆支架应力云

从图6可以看出，最大应力为0.27 MPa，位置出现在上肋板与固定端的拐角处，其他方向上的应力最大值出现在与电缆的接触部分，因此可认为复合材料电缆支架结构设计中，与电缆接触部分的位置及弧度要求较高，另外对上肋板的圆角过渡部分需要多加注意。

根据以上云图分析结果，对上肋板的中性面上节点的应力进行提取，生成随着电缆支架长度L方向上，应力变化曲线见7。

图7　电缆支架上托板中性面上节点变形

从图7可以看出，复合材料电缆支架的最大应力点的位置在50 mm处，该点正好处于上肋板与固定端的弯角结合处。在电缆支架的模型中，固定端的拐角半径在不影响电缆铺设的情况下，尽量采用大半径转角，这样可以提高电缆支架的承载能力，同时也保证了电缆支架的使用寿命。

4.2　复合材料电缆支架安全性分析

利用复合材料电缆支架的几何模型，对其进行了安全性分析。选取1.5倍载荷作为其最大承载载荷，分析电缆支架的应力分布，其结果见表2。其分析过程与上述的结构分析相同，其分析结果中，重点关心的为x、y和z3个方向的应力分量以及等效应力是否能够达到极限强度，当任意一个达到材料的极限强度，则认为复合材料的电缆支架不能满足设计要求。

表2极限载荷下复合材料电缆支架应力分析结果

分析类型x方向应力y方向应力z方向应力等效应力复合材料电缆支架/MPa0.7215.181.5615.36极限应力/MPa373142.4080407.19强度比1381.489.3814.2826.51

对电缆支架的材料参数修改为铸钢材质，根据上述分析步骤，得到极限载荷下金属材料电缆支架应力分析结果，见表3。

表3极限载荷下金属材料电缆支架应力分析结果

分析类型x方向应力y方向z方向等效应力金属材料电缆支架/MPa5.0262.308.2363.04极限应力/MPa90909090强度比17.921.4410.941.43

通过对比表2和表3可以发现，根据最大应力强度-应力准则得到的强度比R，复合材料最小值为9.38，金属材料的最小值为1.43，因此对于同样结构的电缆支架，复合材料的电缆支架完全能够承载电缆，不仅保证安全，而且能够获得更高的强度比值，两者相对来说，复合材料的电缆支架在强度和刚度方面，均优于金属材质的电缆支架。

5结论

a. 复合材料电缆支架结构设计中，与电缆接触部分的位置及弧度要求较高，另外对上肋板的圆角过渡部分需要多加注意；

b. 复合材料电缆支架固定端的拐角半径在不影响电缆铺设的情况下，尽量采用大半径转角，这样可以提高电缆支架的承载能力，同时也保证电缆支架的使用寿命；

c. 对于同样结构的电缆支架，复合材料的电缆支架完全能够承载电缆，不仅保证安全，而且能够获得更高的强度比值，两者相对来说，复合材料的电缆支架在强度和刚度方面，均优于金属材质的电缆支架。

参考文献：

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本文责任编辑：杨秀敏