基于Simulation的絕緣子膠裝結構強度影響因素研究

黃清,郁杰,李德權

（江蘇神馬電力股份有限公司,江蘇南通 226000）

0 引言

輸變電工業領域中復合空心絕緣子成為絕緣子發展變革的主要趨勢[1]，相較于工藝較為成熟的瓷絕緣子，其在防污閃、雨閃、冰閃、脆斷等性能方面表現出明顯的優勢[2]，其中ZL101A鋁合金法蘭為空心復合絕緣子良好的力學性能奠定了基礎[3]。為縮短絕緣子產品的研發周期、提高產品整體性能，新產品研發均先通過Simulation仿真進行結構優化設計，從而有效加快了新產品研發進度，提升了產品質量。

為研究空心復合絕緣子中膠裝結構強度的影響因素，本文以法蘭的外型結構尺寸（含法蘭盤外徑、法蘭盤厚度、法蘭管外徑、加強筋數量、加強筋厚度）及膠裝間隙為研究變量，在SolidWorks方程式快速簡化建模的基礎上，利用Simulation仿真分析研究法蘭設計對產品膠裝結構強度的影響[4-5]。首先通過對比樣品的實際及仿真抗彎試驗結果，校核、調整Simulation仿真設計模型。在仿真模型調試可靠的基礎上，通過控制變量法研究各尺寸對產品膠裝結構強度的影響[6-7]。

1 仿真可靠性研究

復合絕緣子仿真模型由圖2、圖3中上法蘭、絕緣管、下法蘭、法蘭膠組成（因絕緣子傘裙結構對產品的力學性能影響較小，故力學仿真模型中直接將其簡化省略，無傘裙結構絕緣子簡稱光筒絕緣子），其中上、下法蘭通過膠粘工藝與絕緣管間隙配合連接。此外，因該絕緣子擁有高度對稱性，故仿真模型采用半對稱結構[8]。

1.1 仿真模型及邊界條件設置

Simulation仿真建模過程中，首先通過圖1中裝配體方程式設計全局變量，后續編輯各全局變量設計值，達到直接更新結構設計的目的。邊界條件設定過程中，法蘭、膠、絕緣管采用接觸面組-接合的方式，將三者牢固綁定，以擬合實際產品中膠粘的效果。法蘭采用限定安裝孔壁面X、Y、Z方向偏移量的方式進行虛擬固定，該設計將大大降低裝配體仿真模型中的接觸面組數量，有效提高計算效率。同時網格大小設置一方面經驗設計準則（網格細化過程中，同一節點應力變化不超過5%，視為合理大小網格），另一方面通過已有實驗數據作指導。根據光筒絕緣子尺寸（內徑154 mm×外徑174 mm×總長1442 mm）及往期實驗數據，設置產品整體網格大小為15 mm，對法蘭R角處應用網格控制，網格大小一般設定為R/2。

圖1 裝配體方程式建模參數設定窗口

圖2 裝配體仿真模型

1.2 實際與仿真抗彎結果對比

圖3 空心絕緣子膠裝結構示意圖

圖4 產品實際抗彎分析

實際與仿真抗彎對比試驗中，上法蘭均施加16.8 kN彎矩載荷，并將實際抗彎結果與仿真對比，分析兩者的偏差度。圖4為產品實際抗彎測試，圖5、圖6為產品仿真分析截圖。

表1為實際與仿真應力偏差度對比表，其中實際法蘭及管子所受應力通過過粘貼應變片獲得（應力=彈性模量×應變），仿真法蘭及管子參考應力通過去除應力奇異點后獲得。其中法蘭、管子實際與仿真應力偏差度分別為2.4%、4.1%，均低于理想偏差值5%[10-11]。

圖5 16.8 kN法蘭參考應力

圖6 16.8 kN管子參考應力

通過表1中的數據分析發現：該仿真模型采用方程式對稱建模、省略傘裙結構、面組接合接觸方式擬合實際粘接、限定安裝孔壁面X、Y、Z方向偏移量進行法蘭虛擬固定、采用局部網格控制法設計關鍵部位網格等仿真手段能夠高效、精確地分析出光筒絕緣子力學性能。

表1 實際與仿真應力偏差度對比表

2 膠裝結構強度影響因素分析

在上述絕緣子仿真模型調試可靠的基礎上，通過控制變量法分別研究法蘭外型結構尺寸、膠裝間隙對膠裝結構強度的影響。其中膠裝結構強度主要通過管子應力、膠裝剪切應力來進行表征，法蘭R角應力、加強筋應力作為參考應力。

2.1 外型結構尺寸

由圖7可見，玻璃鋼管、法蘭根部R角整體應力分別低于120、295 MPa的標準破壞應力。隨著法蘭盤外徑的增大，管子、法蘭、膠于產品膠裝結構處關鍵位置的參考應力均沒有明顯變化，故分析認為法蘭盤外徑對膠裝結構強度影響較小。圖8中隨著法蘭底盤厚度的增加，管子應力、膠裝剪切應力均沒有明顯變化，法蘭根部R角應力呈明顯降低趨勢，根據法蘭盤厚度設計涉及的虛功原理[12]：

圖7 法蘭盤外徑尺寸與膠裝結構強度的關系

圖8 法蘭底盤厚度尺寸與膠裝結構強度的關系

圖9 加強筋數量與膠裝結構強度的關系

圖10 加強筋寬度與膠裝結構強度的關系

圖11 法蘭管外徑與膠裝結構強度的關系

式中：σ為法蘭盤中的均布應力；t為法蘭盤厚度；a為由各個法蘭安裝尺寸計算所得系數。

可知法蘭應力與底盤厚度平方成反比例關系，理論分析與仿真應力分布趨勢吻合，故分析認為法蘭盤厚度的增加對膠裝結構強度的影響較小。

在管子、法蘭均設計安全的基礎上，由圖9可見，隨著加強筋數量的增加，管子應力、膠裝剪切應力均沒有明顯變化，法蘭根部R角的應力逐漸分散至各加強筋，呈現圖9中的分布趨勢。此外，在加強筋數量不變的基礎上，隨著加強筋寬度及法蘭管外徑的增加，圖10、圖11中管子應力、膠裝剪切應力均沒有明顯變化，法蘭根部R角應力、加強筋應力因法蘭設計裕度的增加呈下降趨勢[13-14]，故法蘭加強筋數量、加強筋寬度、法蘭管外徑的增加對膠裝結構強度的影響較小。

綜上所述，在絕緣子設計達到最低安全系數的基礎上，法蘭盤外徑、法蘭盤厚度、加強筋數量、加強筋厚度、法蘭管外徑等法蘭外型結構尺寸對膠裝結構強度的影響較小，可以忽略。

圖12 膠裝間隙對膠裝結構應力分布的影響

2.2 膠裝間隙

光筒絕緣子中法蘭與絕緣管通過間隙配合的方式進行膠液固化粘接，其中管子、膠、法蘭的破壞強度分別為120 MPa、30 MPa、295 MPa，可知粘接膠在試驗中一般為最易失效結構，故膠裝間隙尺寸設計目的應將膠所受應力降至最低，讓強度最高的法蘭分擔更多的應力[15]。

表2 膠裝間隙對應應力排序表 mm

由圖12可見，管子、膠、法蘭的應力隨粘接膠上下高度方向起伏變化，整體呈降低趨勢。表2中隨著膠裝間隙增加，膠所受應力呈增加趨勢，法蘭應力逐漸降低。圖12（a）中，同規格產品相同載荷下，0.25 mm及0.50 mm膠裝間隙對應膠的應力相對最小，圖12（c）中0.25 mm及0.50 mm膠裝間隙對應法蘭應力相對最大。根據圖12中應力分布趨勢得出表2的對比數據，發現0.25 mm膠裝間隙呈現：膠應力相對最小，管子應力相對其次，法蘭應力相對最大，最為符合各部件理想受力分布。為進一步驗證該仿真結果的可靠性，分別對比了0.25、0.50、0.75 mm光筒絕緣子產品的實際抗彎破壞強度。

圖13 0.25 mm膠裝間隙

圖14 0.50 mm膠裝間隙

圖15 0.75 mm膠裝間隙

表3 膠裝間隙對產品實際破壞強度

通過對0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm膠裝間隙產品進行抗彎破壞試驗，隨著膠裝間隙增加，表3中產品抗彎破壞強度逐漸降低。其中0.25 mm膠裝間隙產品破壞強度最高，其破壞狀態表現為管子內部裂紋，但圖13中管子未被抽出膠結構完好。0.75 mm膠裝間隙產品破壞強度最低，且圖15中粘接膠被完全剪切破壞導致絕緣管抽出。

綜上所述，表3中實際測試結果與表2中仿真結果具有較高的擬合度，故分析認為仿真結果具有較高可靠性，且0.25 mm膠裝間隙具有最高的抗彎強度。

3 結論

1）通過方程式對稱建模、簡化傘裙結構、接合面組接觸方式、虛擬固定、局部網格控制等仿真手段，能夠高效、精確分析光筒絕緣子力學性能，且其與實際產品測試結果偏差度小于5%；2）在絕緣子設計達到最低安全系數的基礎上，法蘭盤外徑、法蘭盤厚度、加強筋數量、加強筋厚度、法蘭管外徑等外型結構尺寸的增加會有效提高法蘭的設計裕度，但對膠裝結構強度的影響較小，可以忽略；3）仿真及實際測試結果均表明膠裝間隙的增加會明顯降低膠裝結構強度，當膠裝間隙為0.25 mm時產品具有相對較優的抗彎強度。