基于有限元分析的復合材料絕緣筒仿真設計研究

萬 佳，周正亮，劉曉靜，盧 敏

（1.南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012；2.南京航空航天大學，南京 211103）

0 前言

絕緣筒是開關設備的主體結構，在城市電網、配電系統供電以及航空航天、船舶、化學工業中都有廣泛應用［1,2］。其使用工況條件較為嚴苛，需同時承受內部氣壓和直流脈沖電壓的作用，因此要求材料具有機械強度高、承壓性能好、絕緣等綜合特性［3,4］。玻璃纖維增強樹脂基復合材料憑借其良好的力學、電絕緣、耐高溫、耐疲勞等綜合優異性能和較低的工程造價，在越來越多的絕緣系統基礎設施建設中獲得了應用［5,6］。有限元分析軟件作為一套功能強大的工程模擬軟件，能夠解決許多復雜的非線性問題，其豐富的單元庫、材料模型庫也為分析人員提供了便捷的分析條件［7-10］。

某型絕緣筒是一種典型的筒狀含法蘭結構，與其配套的輔件如金屬封頭、緊固件等構成封閉絕緣系統。在工作過程中，絕緣筒需承受高壓氣體的沖刷，為保證系統的安全運行，絕緣筒需滿足結構剛、強度高的要求，以保證產品本身的結構安全及絕緣作用。因此準確地模擬、了解結構承受內壓下的應力、變形分布及其變化規律，對提高復合材料絕緣筒產品質量有著重要意義。利用有限元仿真分析軟件優越的分析能力和模擬復雜系統的可靠性，可將該軟件與玻璃鋼材料物理參數有機結合，模擬承受內壓情況下絕緣構件主體及裝配件的應力和位移分布，預測破壞模式和破壞位置，為復合材料絕緣筒方案設計提供參考。

本文針對該大型絕緣筒構件承受內壓≥1.5 MPa的使用要求，從結構設計方面入手，利用有限元分析對玻璃纖維增強復合材料絕緣筒的宏觀力學行為進行了研究。建立了復合材料絕緣筒、金屬封頭及緊固件的等尺寸結構模型，在此基礎上構建了絕緣筒在施加內壓載荷后各承載件的有限元數值仿真模型，完成了施加載荷過程的有限元仿真，并對比驗證了水壓試驗后產品的承壓情況，研究結果對于玻璃纖維增強復合材料零件在承壓系統領域的應用具有一定的指導意義。

1 仿真模型

1.1 建模方案

某大型絕緣筒采用的材料為玻璃纖維增強復合材料（筒壁）和Q345鋼（上下封頭），以及10.8級的高強度螺栓緊固件，絕緣筒筒壁采用真空灌注工藝制備，加熱固化成型，同時，該絕緣筒為高氣壓容器，因此須具有較高的強度和密封要求。在實際工程中，絕緣筒內部承受1.5 MPa的內壓載荷。因此，為了確保絕緣筒整體的剛度和強度要求，對絕緣筒整體結構建立有限元分析模型并進行受力分析具有重要意義。

根據初步設計圖紙，建立絕緣筒試驗結構等比例模型，并進行靜力學分析，檢驗是否符合預期的設計要求。因此，本文提出以下強度校核方法：（1）按實際尺寸對絕緣筒及試驗輔件等結構件進行建模和裝配；（2）對絕緣筒內部施加額定的內壓載荷2.5 MPa（設計1.67倍的安全系數），并進行靜力學仿真分析；（3）分析各結構件的應力分布狀況，要求絕緣筒及螺栓螺母緊固件具有2倍的安全系數；（4）在仿真分析過程中，考慮結構自身質量影響。

1.2 試件等尺寸結構模型

首先，建立如圖1所示的幾何模型，幾何模型包括絕緣筒筒壁、連接法蘭、上下封頭以及螺栓緊固件等結構，2種模型幾何尺度相同。出于有限元分析的便利性，本文結構中省略了進水口等結構，目的在于測試主要結構件的應力與變形狀況，其中，絕緣筒邊緣設計為圓角過渡，與成型后試件一致。為了模擬成型后的絕緣筒結構，采用如圖1a所示的結構模擬成型后的絕緣筒，可忽略其工作過程中的應力誤差。

圖1 試件結構建模

1.3 參數設計

對于仿真建模來說，此處可以利用復合材料的工程彈性常數來建立玻璃纖維復合材料的本構模型，即從細觀力學入手設置參數，最后結合宏觀力學的方法來進行仿真模擬分析。復合材料工程彈性常數共有9個，即該材料的3個方向上的彈性模量（E1，E2，E3）、3個方向上的泊松比（μ12，μ13，μ23）和3個方向上的剪切模量（G12，G13，G23）。基于玻璃纖維復合材料與鋼材料特性，根據實測玻璃鋼物理參數以及國家標準GB/T 706-2008《熱軋型鋼》，以上部件的相關材料力學參數見下表1、2所示。

表1 鋼材料相關系數

表2 真空灌注玻璃鋼復合材料相關系數 MPa

1.4 網格劃分、邊界及載荷條件

使用有限元分析軟件對三維模型進行網格劃分，其中上下封頭模型網格數為175 917個，單元類型為C3D4；筒身部分六面體網格總數為71 040個，單元類型為C3D20R；螺母網格總數108個，單元類型為C3D4R；螺栓六面體網格總數為5 640個，單元類型為C3D8R，各部件網格結構如圖2所示。復合材料鋪層角度按照0°，±45°沿環向交替形式逐層鋪放鋪設，圖3為鋪層等效示意圖。

圖2 有限元網格示意圖

圖3 鋪層等效示意圖

根據絕緣筒初步設計圖紙，建立模型施加內壓和邊界條件，如圖4所示。對絕緣筒內壁及上下封頭的內部施加2.5 MPa的壓強，試驗件下部設置約束邊界條件為模擬地面。

圖4 絕緣筒施加內壓等載荷以及邊界約束

2 仿真與計算結果

2.1 應力分布

在有限元分析軟件中，按實際尺寸建模、設置材料屬性、劃分網格、施加邊界條件后，對絕緣筒整體結構進行仿真分析，圖5所示為絕緣筒施加內壓載荷后，整體及各承載件的米塞斯應力分布狀況。由圖可知，內壓載荷作用下上下封頭、絕緣筒以及緊固螺栓等各部件并未出現較大應力和屈服現象，其中，螺栓應力最大點為“網格奇異”造成的應力集中點，云圖中的綠色為上封頭正常的應力，不會發生因材料失效造成的結構破壞。

圖5 整體及各承載件米塞斯應力分布狀況

2.2 位移分布

圖6所示為絕緣筒僅施加內壓下螺栓的位移分布狀況，可以看出在內壓及重力載荷下螺栓的位移≤1.370 mm。

圖6 施加內壓下螺栓的位移分布狀況

2.3 結果分析

將以上仿真分析結果歸納整理后得到表3，其中，玻璃纖維增強復合材料按照抗拉強度為320 MPa來進行校核。

表3 絕緣筒、封頭及螺栓緊固件應力分布

分析結果可以得出：絕緣筒應力分布較為合理，絕緣筒和緊固件分別滿足3倍和2倍的安全系數。其中，應力分布上部封頭較大，但小于其屈服強度，未發生塑性變形；位移分布上部螺栓最大，但在實際試驗時，螺栓受預緊力收緊，并且有彈性橡膠墊圈，因此螺栓形變的位移是允許的，即不會發生壓力的泄漏下降。仿真結果表明，上述復合材料結構件、金屬封頭以及緊固件的受力與形變符合預定要求。綜上所述，此結構設計可以作為生產制造的依據。

3 絕緣筒壓力實驗驗證

在實際工程中，絕緣筒受到內部壓力的作用，易造成絕緣筒結構破壞及失效的工況，因此，產品在出廠前需進行水壓試驗，以檢驗其結構整體的穩定性。為驗證該型復合材料絕緣筒的承載內壓能力以及有限元仿真結果的合理性，制備了全尺寸絕緣筒試件，并根據客戶要求設計了水壓試驗方案，檢測絕緣筒結構在1.5 MPa水壓下承受內壓的能力是否滿足設計要求。

3.1 玻璃纖維增強復合材料絕緣筒的制備

3.1.1 原材料

玻璃纖維織物：0°±45°，單位面積質量752.8 g/cm3，泰山玻璃纖維有限公司生產；

環氧樹脂體系：LT-5078A/LT-5078B-2，惠利新材料科技（上海）有限公司。

3.1.2 儀器

水壓試驗機：QS-2D型，適用于高壓氣體系統和儀器的耐壓、靜壓、爆破性試驗測試，無錫昌華機電制造有限公司生產。

3.1.3 方法

本實驗復合材料絕緣筒采用真空灌注工藝制備，樹脂與固化劑配比為m樹脂:m固化劑=100∶40，壓強為-0.095 ~ -0.085 MPa，固化工藝為80 ℃×4 h或100 ℃×3 h，圖7為制備得到的復合材料絕緣筒試件。

圖7 復合材料絕緣筒

3.2 方案

在水壓試驗中，上下封頭和筒體需承受1.5 MPa的內壓，內壓會引起較大的環向應力，同時筒軸向也會承受拉應力作用，若此過程中結構未出現變形或破壞，則該絕緣筒產品滿足實際工程中的強度要求。因此，根據客戶要求制定了如下試驗方案：

（1）水壓機準備狀態檢查：查看水、電、氣是否正常，校驗壓力表是否合格；

（2）將“O”型密封圈放入密封槽內實現密封；

（3）按圖紙要求，將絕緣筒各連接部位的配件（上下封頭、緊固螺栓等）裝配齊全、緊固妥當；

（4）將排水閥打開，先將絕緣筒中充滿液體以排出滯留在筒內的氣體，直至中間高度最大的出水閥有水冒出，證明氣體已排凈，關閉排水閥；

（5）從常壓開始，每10 min升壓0.5 MPa，直至1.5 MPa（設計壓力值）；

（6）保壓時間≥30 min無泄漏后，將壓力降至1.0 MPa保持時間≥4 h；

（7）水壓試驗過程中，絕緣筒無滲漏、無可見變形、無異常響聲以及產品表面無裂紋時即為產品合格。

圖8所示為絕緣筒水壓試驗過程照片。

圖8 絕緣筒水壓試驗

3.3 結果分析

通過上述方法檢驗，絕緣筒產品在1.5 MPa內壓下保壓30 min無泄漏，壓力降為1.0 MPa后能夠保持4 h，且結構無損壞，無可見變形、裂紋以及異常響聲，說明在內壓作用下絕緣筒能夠滿足實際工程中的強度要求，并且具有較好的穩定性，經綜合評判，成品試驗達標。通過有限元數值模擬和試驗效果的對比分析可知，有限元數值模擬結果與實際試驗效果一致，絕緣筒結構設計較為合理。

4 結論

本文使用有限元數值仿真方法對某大型玻璃纖維復合材料絕緣筒內壓工況下應力分布及變形情況進行分析。分析結果表明，絕緣筒應力分布較為合理，絕緣筒和緊固件分別滿足3倍和2倍的安全系數，受力與形變符合預定要求。經水壓試驗驗證，絕緣筒產品在1.5 MPa內壓下結構無損壞，滿足承受內壓1.5 MPa的要求，且整體具有較好的穩定性。通過數值計算結果和試驗結果的對比，驗證了仿真結果的合理性，可以作為生產制造的依據。