500KV復合材料橫擔模態(tài)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23008500KV復合材料橫擔模態(tài)分析案例 1109961.1復合材料橫擔有限元建模 1258971.2模態(tài)分析原理 4308701.3無預應力復合材料橫擔模態(tài)分析 565451.4導線重力作用下復合材料橫擔模態(tài)分析 8模態(tài)分析是進行動力學計算的基礎，通過對復合材料橫擔結構進行模態(tài)分析可以得到其固有頻率及特性，可以了解到橫擔結構的脆弱部位?，F(xiàn)階段由于復合材料橫擔的應用還不普及，對橫擔的抗振特性研究較少，本章對500KV復合材料橫擔進行有限元建模，對橫擔進行了無預應力作用下及線路載荷作用下的模態(tài)分析，研究了橫擔的固有頻率及振動特性[31]，為橫擔的抗風，抗振設計提供了參考。圖2-1某500KV復合材料橫擔塔1.1復合材料橫擔有限元建模通過查閱500KV復合材料橫擔塔的設計資料，確定了本章節(jié)復合材料橫擔的設計條件。該500KV復合材料輸電塔整塔高度79m,上橫擔呼高71.614m，水平檔距為450m,垂直檔距為750m，使用的導線型號為JL1/LHA1-535/240，不采用絕緣子，橫擔掛線點采用懸垂線夾等金具。導線自重比載計算如下（2-1）所示：γ1式中：γ1—導線、地線垂直比載(N/m?mQ—導線、地線的單位長度質(zhì)量（kg/km）；g—重力加速度（g=9.80665m/sA—導線、地線截面面積（mm通過計算,導線自重比載為27.15(N/mm在無覆冰條件下，導線自重載荷標準值計算如下（2-2）所示：G=nγ式中，G—導線的自重載荷標準值；n—每項導線的子導線的根數(shù)；LVγ1—導線、地線截面面積（m掛線點處載荷重力如下表2-2所示。本500KV復合材料橫擔為上橫擔，不計算地線及絕緣子重量，導線重量G為64.26KN，導線掛點金具重量為1.34KN。無冰條件下，導線屬于永久載荷，永久載荷分項系數(shù)γGDG=γ500KV復合材料橫擔永久垂直載荷為78.718KN，如下表2-1所示：表2-1垂直載荷表導線重力（kN）導線掛點金具重力(KN)77.111.6081.11幾何建模根據(jù)500KV復合材料橫擔結構設計圖紙，在SolidWorks三維建模軟件中進行復合材料橫擔斜拉絕緣子，復合材料橫擔，十字插板等金具進行建模，之后導入ANSYS。本仿真建立使用的500KV復合材料橫擔的模型中，橫擔結構組合共包括6種零件，復合材料斜拉絕緣子、復合材料橫擔、十字插板、拉桿端部連接金具、法蘭連接頭和掛線架和法蘭盤，復合材料橫擔結構如下圖2-2所示：圖2-2復合材料橫擔結構圖1.12定義材料屬性在ANSYS軟件中插入命令“et，matid，281”，將復合材料橫擔的單元類型設為殼單元shell281；插入命令“et，matid，180”將斜拉絕緣子的單元類型設為桿單元link180；其他零件結構的單元類型采用軟件默認的solid186單元。在材料庫中對橫擔及斜拉絕緣子定義復合材料屬性，之后在ACP模塊中對復合材料橫擔按照+45°-45°方式交替鋪層分布對橫擔設置，連接件設置為Q345鋼材料。1.13網(wǎng)格劃分本500KV復合材料橫擔采用多域掃掠法進行網(wǎng)格劃分，劃分結果如下圖2-3所示，零件的接觸采用“bonded”方式，節(jié)點220299個，單元243763個。圖2-3復合材料橫擔網(wǎng)格劃分1.14加載位置及約束對橫擔根部以及斜拉絕緣子根部添加6個自由度限制約束，代表了復合材料橫擔與塔身的連接點。導線重力載荷施加在橫擔節(jié)點掛線點處，約束及載荷加載位置如下圖2-4，2-5所示。圖2-4載荷施加位置圖2-5橫擔約束1.2模態(tài)分析原理模態(tài)分析通用運動方程如下式（2-4）所示：Mu+式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；{Ftu為節(jié)點位移矢量；u為節(jié)點速度矢量；u為節(jié)點加速度矢量。對這個方程使用不同的方法進行求解，得到的就是不同的分析類型，對于無阻尼模態(tài)分析如下式（2-5）所示：Mu1.3無預應力復合材料橫擔模態(tài)分析本節(jié)中，模態(tài)分析主要用于分析500KV復合材料橫擔結構自振作用下的響應特性。通過進行模態(tài)仿真分析得到其振型和固有頻率，這是復合材料橫擔在承受動態(tài)載荷壓力作用下結構設計的重要參數(shù)。使用ANSYS軟件對橫擔進行模態(tài)分析可得該復合材料橫擔模型前10階的自振頻率，橫擔方向標記如下圖2-6所示，振型圖2-7（a-j）所示，描述如表2-2所示：圖2-6復合材料橫擔方向標記(a)1階振型(b)2階振型(c)3階振型(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型(g)7階振型(h)8階振型(i)9階振型(j)10階振型圖2-7復合材料橫擔各階振型圖表2-2無預應力復合材料橫擔10階自振頻率及振型描述模態(tài)頻率（Hz）振型描述1階3.4669斜拉絕緣子沿y方向振動2階3.4696斜拉絕緣子沿y方向振動3階3.4939斜拉絕緣子沿z方向振動4階3.4957斜拉絕緣子沿z方向振動5階8.0858橫擔整體沿z方向振動6階9.2711斜拉絕緣子沿y方向振動7階9.5398斜拉絕緣子沿y方向振動8階9.6097斜拉絕緣子沿z方向振動9階9.6404斜拉絕緣子沿z方向振動10階9.9241斜拉絕緣子沿y方向振動由此上表可知，該橫擔一階頻率為3.4669Hz，周期為0.288s，復合材料橫擔結構1-4階頻率非常接近，橫擔幾乎不產(chǎn)生位移，主要是斜拉絕緣子沿y方向及z方向振動。在第5階開始自振頻率突然由3.4957Hz上升至8.0858Hz，復合材料橫擔整體沿z方向振動，6-10階斜拉絕緣子沿y方向振動。值得注意的是，1-2階，斜拉絕緣子沿y方向振動，3-4階斜拉絕緣子沿z方向振動，6-7階斜拉絕緣子沿y方向振動，8-9階沿z方向振動。1.4導線重力作用下復合材料橫擔模態(tài)分析對復合材料橫擔對掛線點施加垂直線路方向78.7KN的導線重力，四角固定約束，進行10階預應力模態(tài)分析,觀察500KV復合材料橫擔在工作狀態(tài)下的振型，結果如下表2-3所示，振型圖如下2-8（a-f）所示。(a)1階振型(b)2階振型(c)3階振型(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型(g)7階振型(h)8階振型(i)9階振型(j)10階振型圖2-8復合材料橫擔各階振型圖表2-3預應力復合材料橫擔10階自振頻率及振型描述模態(tài)頻率（Hz）振型描述1階8.0358復合材料橫擔整體沿著z方向振動2階9.54復合材料橫擔整體沿著z方向振動3階19.166斜拉絕緣子沿y方向振動4階19.299斜拉絕緣子沿z方向振動5階19.419斜拉絕緣子沿y方向振動6階19.505斜拉絕緣子沿z方向振動7階21.571復合材料橫擔整體沿y方向振動8階21.315復合材料橫擔整體發(fā)生扭轉振動9階21.836復合材料橫擔整體沿z方向振動10階28.205復合材料橫擔整體沿y方向振動由上表及上圖可知，模擬該500KV復合材料橫擔受導線重力的影響下，1頻率為8.0358Hz，周期為0.124s，1-2階頻率較為接近，主要表現(xiàn)為復合材料橫擔整體沿z方向振動，4-6階頻率較為相似，主要表現(xiàn)為斜拉絕緣子的振動，7-9階頻率接近，復合材料橫擔整體結構發(fā)生振動，10階頻率突然上升至28.