CN110336216A - 一种新型碳纤维卡具及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型碳纤维卡具及其设计方法，其特征在于，所述碳纤维卡具采用碳纤维制成的300kN的闭式卡具，所述闭式卡具的厚度为60mm，所述闭式卡具的破坏强度大于等于950MPa。本发明还提出一种基新型碳纤维卡具的设计方法。本发明在针对采用碳纤维材料替代金属材料制作闭式卡具时，根据300kN闭式卡具的受力特点和强度要求，优化设计出来了一种碳纤维铺层结构，此铺层结构能够满足闭式卡具的强度要求，替代原有的金属材料的闭式卡具。

Description

一种新型碳纤维卡具及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种新型碳纤维卡具及其设计方法，属于新材料设计技术领域。
背景技术
对于更换特高压单片绝缘子用的闭式卡具，其主要材质为钛合金和铝合金，但随着电压等级的升高，绝缘子的尺寸和重量也逐渐加大，对于闭式卡具来说，为了满足机械强度，其重量也大大的增加了；这增加了更换绝缘子的作业难度，降低了作业效率，因此有必要采用碳纤维材料研制新型闭式卡具。但闭式卡具强度要求高，而碳纤维材料又是一种叠层结构，其强度受铺层方式影响。目前常规的碳纤维铺层角度为0°，±45°，90°，在铺层角度给定的前提下，结合闭式卡具的受力特点对铺层数和铺层顺序进行优化设计，使其满足闭式卡具的强度要求。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种新型碳纤维卡具及其设计方法。
本发明采用如下技术方案：一种新型碳纤维卡具，其特征在于，所述碳纤维卡具采用1000KV输电线路用的300kN闭式卡具，所述 300kN闭式卡具采用碳纤维制成；所述300kN闭式卡具的厚度为 60mm，所述300kN闭式卡具的破坏荷载为950MPa。
本发明还提出一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：对所述闭式卡具进行受力分析，将所述闭式卡具等效为受3点力的简支梁；
步骤SS2：设定碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件；
步骤SS3：根据所述步骤SS2的优化设计条件结合所述步骤SS1 的简支梁的受力分析、所述闭式卡具的厚度要求，优化设计出碳纤维复合材料的铺层结构为：
[45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0/45/-45/-45/45/-45/90/ -45/90/0/90/0/45/0/90/0]5S；
步骤SS4：根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度，并与所述 300kN闭式卡具的破坏强度950MPa进行比较，若铺层结构的破坏强度大于等于950MPa，则判定满足强度要求。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料材质选择为 T300/5405。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料的单层厚度为 0.2mm。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2中的所述碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件为：
条件1：采用0°、±45°、90°的标准铺层；
条件2：取向相同的铺层叠置不能超过2层以上；
条件3：0°、±45°、90°的四种铺层中每一种至少要占10％；
条件4：避免采用90°的层组，此时荷载方向为0°时，用0°或±45 °层隔开；
条件5：弯曲刚度系数D16，D26不大于10-6N.m。
作为一种较佳的实施例，所述条件3具体还包括：其中0°铺层 20～40％之间，±45°铺层40～60％之间，90°铺层10～30％之间。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体包括：
复合材料层合板理论公式为：
式中σ1、σ2、τ12为碳纤维层合板的k层碳纤维的应力与剪切力； T为坐标转换矩阵，T的表达式为
θ为铺层角度；为第k层的工程弹性系数矩阵，的表达式为：
其中，
υ12＝υ21。
即，铺层结构的面内刚度系数为：铺层结构的弯曲刚度系数为：
Z为某一层的厚度，N表示破坏荷载；
所述Tsai-Wu张量理论式公式为：
其中：
Xt为主方向1方向抗拉强度，Xc为主方向1方向抗压强度，Yt为主方向2方向抗拉强度，Yc为主方向2方向抗压强度，S为主方向上的抗剪切强度；
根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料的力学参数为：
E1＝148000MPa，E2＝8600MPa，G12＝4380MPa，υ12＝0.285。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明在针对采用碳纤维材料替代金属材料制作闭式卡具时，根据300kN闭式卡具的受力特点和强度要求，优化设计出来了一种碳纤维铺层结构，此铺层结构能够满足闭式卡具的强度要求，替代原有的金属材料的闭式卡具；第二，本发明除用于300kN闭式卡具上，还可推广到其他特高压检修工器具上；第三，本发明在采用碳纤维复合材料对300kN闭式卡具进行轻量化改进时，优化设计出一种满足300kN闭式卡具强度要求的碳纤维铺层结构；第四，本发明可以推广至其他特高压工器具时，要考虑工器具的受力情况。
附图说明
图1是所示的本发明的一种新型碳纤维卡具的优选实施例的结构示意图。
图2是本发明的闭式卡具的受力简图。
图3是本发明的闭式卡具等效为受3点力的简支梁的受力简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种新型碳纤维卡具及其设计方法，其特征在于，所述碳纤维卡具采用1000KV输电线路用的300kN闭式卡具，所述300kN闭式卡具采用碳纤维制成；所述300kN闭式卡具的厚度为60mm，所述300kN闭式卡具的破坏荷载为950MPa。
本发明还提出一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：对所述闭式卡具进行受力分析，将所述闭式卡具等效为受3点力的简支梁，如图2和图3所示；
步骤SS2：设定碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件；
步骤SS3：根据所述步骤SS2的优化设计条件结合所述步骤SS1 的简支梁的受力分析、所述闭式卡具的厚度要求，优化设计出碳纤维复合材料的铺层结构为：
[45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0/45/-45/-45/45/-45/90/ -45/90/0/90/0/45/0/90/0]5S；
步骤SS4：根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度，并与所述 300kN闭式卡具的破坏强度950MPa进行比较，若铺层结构的破坏强度大于等于950MPa，则判定满足强度要求。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料材质选择为 T300/5405。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料的单层厚度为 0.2mm。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2中的所述碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件为：
条件1：采用0°、±45°、90°的标准铺层；
条件2：取向相同的铺层叠置不能超过2层以上；
条件3：0°、±45°、90°的四种铺层中每一种至少要占10％；
条件4：避免采用90°的层组，此时荷载方向为0°时，用0°或±45 °层隔开；
条件5：弯曲刚度系数D16，D26不大于10-6N.m。
作为一种较佳的实施例，所述条件3具体还包括：其中0°铺层 20～40％之间，±45°铺层40～60％之间，90°铺层10～30％之间。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体包括：
复合材料层合板理论公式为：
式中σ1、σ2、τ12为碳纤维层合板的k层碳纤维的应力与剪切力；T为坐标转换矩阵，T的表达式为
θ为铺层角度；为第k层的工程弹性系数矩阵，的表达式为：
其中，
υ12＝υ21。
即，铺层结构的面内刚度系数为：铺层结构的弯曲刚度系数为：
Z为某一层的厚度，N表示破坏荷载；
所述Tsai-Wu张量理论式公式为：
其中：
Xt为主方向1方向抗拉强度，Xc为主方向1方向抗压强度，Yt为主方向2方向抗拉强度，Yc为主方向2方向抗压强度，S为主方向上的抗剪切强度；
根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度。
作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料的力学参数为：E1＝148000MPa，E2＝8600MPa，G12＝4380MPa，υ12＝0.285。
表1 T300/5405碳纤维复合材料力学参数
E1(MPa) E2(MPa) G12(MPa) υ<sub>12</sub>
148000 8600 4380 0.285
根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论公式计算得到了本发明的铺层结构的破坏强度为955.04MPa，大于300kN闭式卡具的破坏强度950MPa，满足强度要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型碳纤维卡具及其设计方法，其特征在于，所述碳纤维卡具采用1000KV输电线路用的300kN闭式卡具，所述300kN闭式卡具采用碳纤维制成；所述300kN闭式卡具的厚度为60mm，所述300kN闭式卡具的破坏荷载为950MPa。
2.一种基于权利要求1所述的新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：对所述闭式卡具进行受力分析，将所述闭式卡具等效为受3点力的简支梁；
步骤SS2：设定碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件；
步骤SS3：根据所述步骤SS2的优化设计条件结合所述步骤SS1的简支梁的受力分析、所述闭式卡具的厚度要求，优化设计出碳纤维复合材料的铺层结构为：
[45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0/45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0]5S；
步骤SS4：根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度，并与所述300kN闭式卡具的破坏强度950MPa进行比较，若铺层结构的破坏强度大于等于950MPa，则判定满足强度要求。
3.根据权利要求2所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料材质选择为T300/5405。
4.根据权利要求2所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料的单层厚度为0.2mm。
5.根据权利要求2所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述步骤SS2中的所述碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件为：
条件1：采用0°、±45°、90°的标准铺层；
条件2：取向相同的铺层叠置不能超过2层以上；
条件3：0°、±45°、90°的四种铺层中每一种至少要占10％；
条件4：避免采用90°的层组，此时荷载方向为0°时，用0°或±45°层隔开；
条件5：弯曲刚度系数D16，D26不大于10-6N.m。
6.根据权利要求5所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述条件3具体还包括：其中0°铺层20～40％之间，±45°铺层40～60％之间，90°铺层10～30％之间。
7.根据权利要求2所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述步骤SS4具体包括：
复合材料层合板理论公式为：
式中σ1、σ2、τ12为碳纤维层合板的k层碳纤维的应力与剪切力；T为坐标转换矩阵，T的表达式为
θ为铺层角度；为第k层的工程弹性系数矩阵，的表达式为：
其中，
Q66＝G12，υ12＝υ21；
即，铺层结构的面内刚度系数为：铺层结构的弯曲刚度系数为：
Z为某一层的厚度，N表示破坏荷载；
所述Tsai-Wu张量理论式公式为：
其中：
Xt为主方向1方向抗拉强度，Xc为主方向1方向抗压强度，Yt为主方向2方向抗拉强度，Yc为主方向2方向抗压强度，S为主方向上的抗剪切强度；
根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度。
8.根据权利要求2所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料的力学参数为：E1＝148000MPa，E2＝8600MPa，G12＝4380MPa，υ12＝0.285。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102521435A (zh) * 2011-11-29 2012-06-27 苏州大学 一种对称层合板的铺层制作方法
CN107729701A (zh) * 2017-11-23 2018-02-23 江苏理工学院 一种汽车防撞梁铺层优化设计方法
CN108173165A (zh) * 2018-02-06 2018-06-15 江苏省送变电有限公司 一种碳纤维单片绝缘子更换卡具
CN109145416A (zh) * 2018-08-06 2019-01-04 同济大学 一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102521435A (zh) * 2011-11-29 2012-06-27 苏州大学 一种对称层合板的铺层制作方法
CN107729701A (zh) * 2017-11-23 2018-02-23 江苏理工学院 一种汽车防撞梁铺层优化设计方法
CN108173165A (zh) * 2018-02-06 2018-06-15 江苏省送变电有限公司 一种碳纤维单片绝缘子更换卡具
CN109145416A (zh) * 2018-08-06 2019-01-04 同济大学 一种碳纤维复合材料地铁司机室头罩铺层设计方法

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