碗頭掛板的有限元分析與結構改進

冷檔定 丁曉亮 徐有巖 吳鵬

摘 要：本文以WS-7-01型碗頭掛板為研究對象，采用ANSYS Workbench進行了有限元分析，確定了正確的有限元模型，并且根據分析結果進行結構改進，設計了雙碗頭金具，顯著降低了碗頭應力。

關鍵詞：碗頭掛板;有限元分析;結構改進

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0050-02

Abstract： This paper took WS-7-01 socket clevis as the research object， and the correct finite element model was determined by ANSYS Workbench. Based on the analysis results， the structure was improved and the double socket fittings were designed， the stress of double socket fittings decreased significantly.

Keywords： socket clevis;finite element analysi;structural improvement

碗頭掛板是輸電線路中用于連接懸垂線夾與絕緣子串的一種重要連接金具[1，2]，在使用過程中容易出現斷裂和掉串事故[3，4]，因此，需要對碗頭掛板進行應力分析以及結構優化改進。本文通過ANSYS Workbench對江蘇捷凱電力器材有限公司生產的WS-7-01型碗頭掛板進行有限元分析，計算靜載作用下碗頭掛板的應力，并與試驗測試結果做對比，確保有限元計算的可靠性，以此對碗頭掛板提出改良方案。

1 碗頭掛板的有限元分析

根據實際碗頭掛板的尺寸，利用SolidWorks三維造型軟件對其進行建模，如圖1（a）所示。

有限元分析屬于線性靜力結構分析，對于各向同性的材料只需要定義彈性模量（楊氏模量）和泊松比。碗頭掛板和球頭掛環的材料為22Si2MnCrNi2MoA鋼，材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

有限元建模網格的劃分形式對計算精度以及計算的模型將產生直接影響。隨著網格數量和質量增加，計算精度也會相對有所提高。因此，本文采取了細分網格，網格劃分后生成71 844個節點和40 935個單元，有限元模型如圖1（b）所示。

在球頭掛環的上端面施加固定約束，限制所有自由度。考慮到碗頭掛板的實際工作情況及企業的需求，施加載荷為100kN。通過有限元計算，得出碗頭掛板受載后的正面和側面應力云圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，碗頭掛板的整體應力較小，最大應力為1 138.6MPa，位于與碗頭掛板接觸面，此處屬于應力集中，不予考慮，除此處外最大應力位于碗頭掛板大端向小端過渡處，最大值為502.8MPa，整體應力滿足強度要求。

2 碗頭掛板的應力測試

為了確保有限元計算的可靠性，在碗頭掛板上選取4個點，貼上應變片，在拉伸試驗機上進行測試，測點位置如圖3所示。各測點實際測試值與有限元計算值如表1所示。

由表1可知，總體測試結果和計算結果較吻合，誤差在5%以下，具有較好的一致性，驗證了有限元模型的可靠性，也為下一步碗頭掛板的優化分析提供了依據。

3 碗頭掛板的結構優化

從上述分析可知，最大應力位于碗頭掛板的碗頭和掛板的過渡處，碗頭座的側壁中間部位的應力比較小。因此，考慮將碗頭和掛板的過渡圓角及碗頭座內腔側壁與底部的過渡圓角做R8圓角過渡處理，將碗頭座的內腔側壁的中間腰部切去3mm，其余不變。通過有限元計算，得出優化后的碗頭掛板受載后的正面和側面應力云圖，如圖4所示。

由圖4碗頭掛板的應力云圖可知，將碗頭和掛板的過渡圓角及碗頭座內腔側壁與底部的過渡圓角做R8圓角過渡處理，并且將碗頭座的內腔側壁的中間腰部切去3mm后，碗頭和掛板的過渡處應力由502.82MPa下降到408.67MPa，其余位置應力變化不大，碗頭掛板質量從0.118kg降到了0.108kg，整體優化效果明顯。

以上分析的碗頭掛板應力最大處在碗頭座和掛板過渡處，而且容易出現球頭從球窩中脫落的現象，因此，設計了一種雙碗頭連接金具，三維模型如圖5所示。

由圖6可知，雙碗頭掛板整體應力下降很多，特別體現在應力集中區，下降了606.8MPa。除應力集中外，雙碗頭掛板最大應力為587.91MPa，比原來下降了27.17MPa。

4 結語

通過有限元分析軟件對碗頭掛板進行應力分析，并與試驗數據進行對比，確定正確的有限元模型。根據分析結果提出改進方案并進行結構改進，設計了雙碗頭金具，顯著降低了碗頭應力。

參考文獻：

[1]魏光國.國有電力金具企業現狀分析及改進建議[J].科技傳播，2011（23）：65-66.

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