盘形悬式绝缘子应力分析与设计

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1、盘形悬式绝缘子有限元应力计算与分析聂一彪1，肖汉宁1，周祥发1，(1.湖南大学材料科学与工程学院长沙410082)摘要:随着电力工业向着超高压、大容量、远距离输电的发展，绝缘子必须满足高性能、高可靠性的要求。研究采用ANSYS软件模拟绝缘子应力分布，分析绝缘子在应用载荷下的应力，为预测和设计工程应用绝缘子的安全及可靠性奠定了一定的基础。关键词:电瓷；绝缘子；应力；有限元法8绝缘子是输电线路中的关键部件之一，随着电力工业向着超高压、大容量、远距离输电的发展，绝缘子必须满足高性能、高可靠性的要求。绝缘子性能的优劣对电力系统的开发和运行起着举足轻重的

2、作用。倘若绝缘子的性能不能满足服役条件，而且未做必要的力学设计,绝缘子安全性及可靠性难以保证。这也就使得高性能绝缘子的生产及力学设计成为必要,高性能绝缘子的生产与设计将成为今后电工陶瓷技术中一项重要工作。盘形悬式绝缘子（见图1）是目前普遍使用的线路绝缘子结构形式，其性能和结构是根据输电线路电压等级、输电容量及使用环境等决定的。长期以来，在绝缘子生产方面，采用传统的工艺及设备，其能耗高且制备浆料的粒度较大，故烧结后的产品难以达到高强度的要求；在绝缘子的设计方面，国内电瓷厂主要采用经验的设计，辅以各种实验手段，在对大量产品试验数据分析的基础上来确定

3、产品的结构形状，因此，绝缘子的设计周期过长。同时，由于绝缘子在使用中的环境相当复杂，仅靠人工经验设计是不能满足可靠及安全要求的。有限元法是20世纪50年代在连续体力学领域静力和动力特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。同时，有限元法的通用计算程序作为有限元研究的一个重要组成部分，也随着电子计算机的飞速发展而迅速发展起来。在20世纪70年代初期，大型通用的有限元分析软件出现了，这些大型、通用的有限元软件功能强大，计算可靠，工作效率高，因而逐步成为结构分析中的强有力的工具。近20多年来，各国相继开发了很多通用程序系统，应用领域也从结构分析领域扩展

4、到各种物理场的分析，从线性分析扩展到非线性分析，从单一场的分析扩展到若干个场耦合的分析。在目前应用广泛的通用有限元分析程序中，美国ANSYS公司研制开发的大型通用有限元程序ANSYS是一个适用于微机平台的大型有限元分析系统，功能强大，适用领域非常广泛。ANSYS是在20世纪70年代由ANSYS公司开发的工程分析软件。开发初期是为了应用于电力工业，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能够满足各行业有限元分析的需要。ANSYS软件主要包括三个模块：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网

5、格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。为满足绝缘子可靠性要求，其设计的主要内容就是如何合理地分析绝缘子的应力分布及8最大载荷下应力的许用值。所以，为了达到这样的目的，必须

6、对材料及材料的结构进行适当的简化,以便给出较为简单的数学描述。作为一种工程应用，模型的分析解是不易得到的,所以经常采用力学分析软件模拟的方法。针对电力工业领域对绝缘子提出的高性能、高可靠性的要求，本研究采用ANSYS软件模拟绝缘子应力分布，分析绝缘子在应用载荷下的应力，为预测和设计工程应用绝缘子的安全及可靠性奠定一定的基础。图1盘形悬式绝缘子1.瓷件2.钢脚3.铁帽4.水泥胶合剂5.垫片6.锁紧销1工程问题的描述绝缘子是输电线路中的关键部件之一，其强度是满足产品高性能、高可靠性的最主要指标。在满足总体设计要求的前提下，应尽可能做到结构合理，能够

7、承载较大的应力载荷。现在研究的对象是盘形悬式绝缘子，见图1-零件1。相关物理参数见表1。表1绝缘子的物理参数物理参数及单位数据体积，g/cm3拉伸强度，Mpa抗压强度，Mpa弯曲强度，Mpa冲击弯曲强度，N-mm/mm2杨氏模量，N/mm2剪切模量，N/mm2泊松比，2.65-2.7550-65（未上釉），55-70（上釉）400-600（未上釉），500-650（上釉）≧150Mpa（未上釉）,≧175Mpa（上釉）2.8-3.18.5×1043.3×1050.388硬度（shore）热膨胀系数，10-6/℃（250℃~800℃）热容，Kca

8、l/kg.℃热导率，Kcal/m.h.℃996.8-7.25.1-5.50.2-0.221.0-1.52模型的建立与网格划分根据悬式绝缘子的结构特点和