聯板類電力金具結構的創新設計及仿真優化

樊明浩，趙 武，郭 鑫

（四川大學機械工程學院，四川 成都 610015）

1 引言

特/超高壓輸電是解決我國資源能源與生產力分布不均勻問題的主要途徑[1]，其安全運行對保障國家能源安全和電力可靠供應具有重要意義。電力金具，是連接和組合電力系統中的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷及某種防護作用的金屬附件[2]。輸電線路配套電力金具是架空輸電線路的重要組成部件，其性能關系到輸電線路工程質量和長期穩定運行。如若在輸電線路運行的過程中，出現金具的疲勞失效而導致掉線，或者金具與導線發生相對運動而產生摩擦導致的斷線，會對電網的穩定運行、工農業安全生產、人民安定生活帶來很大的影響[3]。在超高壓輸電線路中，由于導線分裂數多、導線張力大的特點，聯板類電力金具是相當重要的連接金具，一旦失效，將引發整個懸垂串的事故。分裂懸垂聯板是聯板類電力金具中的一種，傳統的分裂懸垂聯板等金具由厚金屬板制成，該方法制成的分裂懸垂聯板外觀粗而厚、重量大、金屬消耗大，同時還會增加線塔的負荷[4]。

國內外學者對電力金具研究主要集中在電力金具的設計、制造及優化方面。文獻[4]研究了一種新型超高強度硼鋼制成的多層堆疊結構的輕量化連接金具。文獻[5]提出了利用金屬液滴沉積工藝制造電力金具的創新方法。文獻[6]設計了一種新型高承載力U型掛板，與傳統組件相比，新型組件的重量減少了60%。文獻[7]通過力學特性和電學特性仿真分析及實際模型電暈特性試驗研究了特高壓直流輸電線路懸垂串特性，并成功研制出了緊湊型三連桿懸垂串和配套金具。

綜合分析國內外文獻，針對電力金具的研究，無論是從制造工藝的優化[8]還是新材料的應用[9]，其主要目的都是減輕電力金具的自重、增強機械強度及改善電磁性能，降低輸電線路成本。另外，還鮮有學者針對聯板類電力金具結構的設計方法、結構優化方面進行研究。

針對以上討論，以某超高壓直流輸電工程的分裂懸垂聯板為例，利用產品創新設計方法設計了一種生產便捷、重量輕、成本低的新型分裂懸垂聯板，并利用仿真軟件ANSYS Workbench 對其進行了有限元力學仿真驗證和結構優化。

2 聯板類電力金具結構創新設計流程

基于產品創新設計方法及ANSYS Workbench仿真分析方法構建的聯板類電力金具結構聯板創新設計流程，如圖1所示。主要步驟包括：（1）需求處理，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和質量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）進行需求獲取、需求分析及需求轉換；（2）概念設計，生成具有主要功能的概念方案；（3）詳細設計，根據概念方案進行材料選擇、具體結構設計等；（4）方案評價，利用ANSYS Workbench仿真軟件對設計方案進行靜力學仿真，以評價設計方案是否滿足設計要求；（5）結構優化，利用ANSYS Workbench軟件中的Design Ex?ploration優化模塊對設計方案進行優化，以獲得最優結構。

圖1 聯板類電力金具結構創新設計流程Fig.1 Innovative Design Flow for the Structure of Yoke Plate Type Electric Power Fitting

QFD由日本學者Akao在1967年提出，是一種將客戶需求與技術特征結構化聯系，從而實現需求轉換的創新方法。QFD由客戶需求驅動，能夠保證產品在產品規劃、綜合設計、工藝和生產計劃等產品開發的各個階段都最大限度地滿足客戶需求。運用QFD方法，不僅能夠保證產品滿足客戶需求，還能夠減少產品開發周期、提升產品質量[10]。

質量屋（House of Quality，HOQ）是QFD的核心工具，HOQ能夠直接將客戶需求和產品性能聯系起來。通過HOQ能將客戶需求CRi轉換為設計所需的技術特征TCi，并能夠計算出技術特征TCi的相對重要度。HOQ中矩陣Rij表示CRi和TCi的相互關系，這種關系可以由定量的分數來表示，一般用0-1-3-9來表示：0表示不相關；1表示弱相關；3表示一般相關；9表示強相關[11]。

HOQ為了獲得技術特征的重要度，需要輸入客戶需求的相對權重，采用AHP 方法能夠獲得準確合理的客戶需求權重。AHP 是一種多標準決策工具，由美國運籌學家TL Saaty 在20世紀70年代提出。AHP可以通過對比每對客戶需求來衡量每個客戶需求的相對重要程度[12]。通過AHP和QFD得到帶有重要度的技術特征，能夠有效指導后續設計過程，使設計過程中產生的設計方案極大地滿足客戶需求。

由于超高壓直流輸電線路導線橫截面積大、輸電距離長、導線載荷大，因此對于配套連接金具尤其是聯板類金具結構具有較高的強度要求。為了驗證設計過程中產生的設計方案是否達到設計需求的要求，利用ANSYS Workbench 軟件對設計方案進行有限元靜力學仿真和結構優化。

3 分裂懸垂聯板創新設計

3.1 需求處理

根據上述設計流程，以某超高壓直流輸電工程的配套聯板類電力金具中的分裂懸垂聯板為例，首先獲取分裂懸垂聯板的客戶需求。通過市場調研和客戶問卷等方法收集的對于分裂懸垂聯板的需求如下：

人體胃腸道微生態受到出生方式、喂養習慣、飲食、藥物、應激、地域、年齡等多種因素的影響[1]。胃腸道微生態參與機體的物質代謝、炎癥信號通路轉導、調控適應性免疫、維持腸道的完整性、保護機體免受致病菌損傷[2-4]。微生態的失衡與人體胃腸道疾病、糖尿病、肥胖、代謝綜合征、自身免疫性疾病及腫瘤等相關，尤其是在人體胃腸道等多種疾病中觸發了重要的病理進程。而胃腸道微生態與胰腺疾病的研究也引起了學者們的關注。

（1）結構四分裂；

（2）機械損傷載荷144kN，能承受安裝、維修和運行條件下的機械載荷，任何部件不能損壞或出現永久性變形；

（3）在滿足機械強度要求的情況下盡量減輕重量，且便于批量生產；

（4）應能易于安裝和拆卸；

（5）應當易于長途運輸；

（6）應當避免與懸垂線夾之間的碰撞；

（7）應具有一定防暈功能，避免產品表面出現可見電暈。

圖2 分裂懸垂聯板質量屋Fig.2 HOQ of Split Suspension Yoke Plate

質量屋中按0-1-3-9原則給出了客戶需求與技術特征之間的相互關系，并計算得出了各個技術特征的重要度，同時還通過分析客戶需求及市場調研等方式給出了技術特征的目標參數。技術特征重要度和目標參數能對后續的設計過程提供指導，以獲得客戶滿意度高的設計方案。

3.2 概念設計

概念設計從根本上決定了產品的功能、質量、成本和開發時間[14]。因此，為了使產品最大限度地滿足客戶需求，在分裂懸垂聯板的概念設計過程中主要考慮重要度高的技術特征以生成具有主要功能的概念方案。將HOQ中得到的技術特征重要度進行排序得，如表1所示。從表1可以看出結構布局具有最高的重要度，分裂懸垂聯板的結構布局可以采用整體式和組合式，整體聯板型式穩定性好，金具零件少，結構簡單，組合聯板型式可使懸垂線夾擺動更為靈活，單件重量輕，便于制造、運輸和安裝。目標分裂懸垂聯板分裂面積大、分裂間距大，為了滿足重量輕、便于制造、安裝、運輸等需求，因此采用組合式聯板型式。

表1 技術特征重要度排序Tab.1 Technical Characters Importance Ranking

基于QFD 得到的技術特征及其目標參數，提出如圖3所示的四邊形主體框架和小聯板組的組合式概念設計方案，其中四邊形主體框架完成四分裂結構布局的功能，小聯板組用于連接四邊形主體框架和金具串上的其他金具。

圖3 概念設計方案Fig.3 Conceptual Design Scheme

3.3 詳細設計

概念設計階段得到了一種組合式分裂懸垂聯板概念設計方案，該方案滿足四分裂結構布局、金屬消耗量較傳統分裂聯板少、重量輕等要求。在詳細設計階段根據概念設計方案進行具體的設計，包括：懸垂聯板具體結構設計、材料選用、零部件選用等。

對于概念設計方案的四邊形主體框架部分，主要考慮的技術特征是零部件選用，根據技術特征目標參數選擇角鋼作為基本零件。角鋼作為一種通用型鋼，生產便捷，能夠方便地大批量采購，有利于降低產品成本。為了使分裂懸垂聯板易于安裝、運輸和降低生產成本，選擇螺栓連接作為小聯板組和角鋼的連接方式。

小聯板組要和其他金具連接，在風擺時可能與其他金具發生碰撞，因此要考慮防磕碰的問題。根據以往對超高壓輸電線路電力金具串的研究，能夠自由擺動的懸垂線夾是最可能發生磕碰的金具。因此，在對小聯板組進行詳細設計時，要充分考慮懸垂線夾的擺動空間。同時，考慮防電暈的需求，所設計的小聯板輪廓應具有較大的曲率。依據概念設計方案，考慮承載力及可靠性等要求，設計的整體式頂部聯板，其中懸垂線夾的擺動空間達±30°，能夠有效避免懸垂線夾與聯板的碰撞，如圖4所示。

圖4 頂部聯板設計方案Fig.4 Top Yoke Plate Design Scheme

根據相同的設計方法，對其他小聯板進行設詳細計，最終得到的詳細設計方案，如圖5所示。該方案在QFD指導下完成，整體為組合式結構，相對于傳統由厚金屬板制成的懸垂聯板具有重量輕、材料消耗少、安裝維修方便等優點。

圖5 詳細設計方案Fig.5 Detailed Design Scheme

對詳細設計方案進行初步分析可以得到小聯板組的受力比角鋼大，因此選擇價格便宜且具有較好力學性能的普通碳素鋼Q235作為角鋼材料，選擇低合金剛Q345為小聯板組材料。

4 結構仿真

4.1 建立模型及網格劃分

利用SolidWorks 軟件對設計方案進行三維建模，并得到該設計方案質量為95kg。將模型導入ANSYS Workbench靜力學分析模塊，并對模型做如下簡化：（1）簡化螺栓；（2）忽略自然環境的影響，假設環境無風、干燥。將所有角鋼材料賦為Q235，將小聯板組的材料賦為Q345，材料參數，如表2所示。采用六面體網格劃分方法（Hex Dominant Method）對模型劃分網格，得到網格單元21358個，網格節點9104936個，網格質量良好。

表2 材料參數Tab.2 Material Parameters

4.2 邊界條件

由于分析模型簡化了螺栓，角鋼和小聯板組接觸類型設置為綁定（Bonded）。根據技術特征目標值，結構的機械損傷載荷應該達到144kN，因此對結構整體施加的144kN力，即四個連接孔各36kN，對頂部聯板中間孔施加圓柱面約束，如圖6所示。

圖6 載荷及約束Fig.6 Loads and Constraints

4.3 有限元分析結果

通過靜力學分析模塊，得到設計方案在144kN機械損傷載荷下的等效應力云圖和安全系數分布云圖，如圖7所示。通過分析有限元計算結果，頂部聯板和部分角鋼存在應力集中的情況，部分角鋼安全系數低于技術特征目標參數1.3。為了保證產品能夠安全長久運行，需要對設計方案進行結構優化。

圖7 靜力學分析結果Fig.7 Static Analysis Result

5 結構優化

5.1 優化參數設置

在ANSYS Workbench 軟件的Design Exploration 模塊中，可以利用響應面法進行結構優化。響應面法（Response Surface Methodology，RSM）是一種采用試驗設計理論對指定的設計點集合進行試驗，得到目標函數和約束函數的響應面模型，來預測非試驗點的響應值的方法[15]。利用響應面法對分裂懸垂聯板設計方案進行結構優化設計的步驟，如圖8所示。

圖8 響應面法優化設計流程圖Fig.8 Response Surface Methodology Optimization Design Flow Chart

根據圖7的分析結果將分裂懸垂聯板結構安全系數作為目標函數，為了控制分裂懸垂聯板的總體質量，同時將結構質量也作為目標函數。將三個獨立小聯板組厚度x1、所有角鋼厚度x2和頂部聯板孔距（頂部聯板中心孔到邊的距離）x3作為設計變量進行優化，以滿足可靠性和質量要求。設置三個設計變量取值范圍，如表3所示。

表3 設計變量取值范圍Tab.3 Design Variable Value Range

則分裂懸垂聯板結構優化的有限元參數化模型可表達為：

式中：F—結構安全系數；M—結構質量；xiL—設計參數下限；xiH—設計參數上限。

5.2 建立響應面模型

在Design Exploration 優化模塊中，利用能夠獲得最優參數組合的中心組合設計方法（Central Composite Design）將設計變量進行組合獲得29組試驗數據。將29組試驗數據進行有限元分析得到的分析結果，如表4所示。

表4 試驗數據分析結果Tab.4 Analysis Results of the Test Data

響應面可以被定義為一個如式（2）的二階多項式模型[16]：

式中：a0—常數；bi、bii和bij—一次項、平方項和混和項系數；e—擬合誤差。

利用表4的試驗數據分析結果，根據式（2）建立分裂懸垂聯板安全系數和質量的響應面回歸模型：

為了驗證響應面回歸模型是否有效，可以采用可決系數R2、調整可決系數Ra2以及均方根誤差sRMSE來評價回歸模型的顯著性[17]。可決系數和調整可決系數描述設計變量對目標函數的解釋程度，其值越大越好；均方根誤差描述回歸模型預測值與觀測值之間的距離，其值越小越好。給出了響應面回歸模型的擬合度評估值，如表5所示。可以看出回歸模型具有良好的精度。

表5 擬合度評估值Tab.5 Value of Fitness Evaluation

對所設計的新型分裂懸垂聯板，既希望其具有較高的安全系數從而保證輸電線路運行的安全可靠，同時也希望其具有較輕的質量以降低成本和方便安裝運輸，因此，為了在安全系數和質量間找到合適的平衡點，利用目標函數回歸模型進行多目標優化。

5.3 多目標優化

Q235 和Q345 材料屬于塑性材料，塑性材料安全系數?。?.2～2.5），由于分析模型對比真實情況進行了簡化，分析模型的最小安全系數應該大于技術特征目標值才能保證結構安全，所以將最小安全系數大于1.5 作為約束條件。同理，將質量不大于100kg作為約束條件。因此，新型分裂懸垂聯板多目標優化的數學模型可以表示為：

其中，F和M已由式（3）和式（4）確定。

將式（5）輸入到Design Exploration優化模塊，選擇MOGA優化算法進行多目標優化，得到優化結果。取小聯板組厚度37mm，角鋼厚度4mm，頂部聯板孔距40mm，作為優化后的尺寸。利用優化后的尺寸重新建模，進行有限元靜力學分析，得到分裂懸垂聯板參數優化前后設計變量與輸出結果對比，如表6所示。優化后的結構應力分布均勻，結構最小安全系數大于1.5，結構可靠性高，質量較輕，滿足各項技術特征目標參數要求。

表6 分裂懸垂聯板參數優化前后對比Tab.6 Comparison Before and After Parameters Optimi?zation of Split Suspension Yoke Plate

6 結語

將AHP、QFD及ANSYS Workbench有限元仿真三種工具進行集成，提出了針對超高壓直流輸電線路重要零部件聯板類電力金具結構的創新設計流程。利用該方法設計得到了一種用于某超高壓直流輸電線路的新型分裂懸垂聯板。結果表明，該方法能夠有效指導聯板類電力金具的設計過程，使產品在設計過程中能極大地滿足客戶需求，提高設計效率。利用本方法設計出的新型分裂懸垂聯板對比傳統分裂懸垂聯板具有生產便捷、安裝維護方便、重量輕、成本低易于運輸等優點。利用響應面法對所設計的新型分裂懸垂聯板以提高結構安全系數和降低質量為目標進行結構優化，為電力金具產品優化設計提供了參考。