CN111291506B - 复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法与系统，包括：获取单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数；将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度。本发明涉及一种弯曲刚度计算方法与系统，通过获取单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数；将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度，使得复合材料绝缘子胶装节点数值模拟问题得到有效的解决。

Description

复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法与系统

技术领域

本发明具体涉及一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法与系统。

背景技术

支柱类电气设备由于功能等方面要求，大都由瓷质材料或复合材料组成，对于陶瓷材料设备，各支柱元件之间通过采用水泥进行胶装或采用弹簧卡式与法兰连接，目前，在高电压等级电气设备中应用最广的为水泥胶装连接。对于复合材料电气设备，各支柱元件之间通过采用环氧树脂或者其他胶黏剂的方式将法兰与电气设备元件胶装在一起。与水泥胶装不同的是，复合材料电气设备的胶装厚度在1～2mm，即抹胶的接触面，而陶瓷材料电气设备的胶装厚度即为填充在法兰壁与设备之间的胶装水泥厚度。

在电气设备的力学性能分析过程中，构件通常简化为具有刚性的梁，而这种刚性一般采用刚度来表示，连接部位也集中用刚度来表示。由于电气设备连接部位的节点受力状况比较复杂，采用单纯的刚性连接或可以滑动的铰链连接来表示往往不符合实际情况，因此采用弹性连接来表示比较符合实际，主要用弯曲刚度表示其特征。由此可见，电气设备法兰连接部位弯曲刚度的确定对于其力学性能分析至关重要。

然而对于复合材料绝缘子，一般采用合成胶黏剂，胶装厚度较小，可以忽略不计，两类结构胶装结构有明显差异，因此用于瓷质材料设备的公式对复合材料设备不再适用。

发明内容

为解决上述复合材料绝缘子胶装节点数值模拟的问题，本发明具体涉及一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法，所述方法包括：

获取单节绝缘子结构尺寸参数；

将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括：复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径。

优选的，所述弯曲刚度与弹性模量之间的关系式的构建包括：

基于实验方法得到法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、弯曲刚度系数、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径关系的第一关系式；

基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

将线性关系的系数带入第一关系式得到第二关系式；

其中，所述弹性模量为支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率。

优选的，所述第一关系式如下所示：

式中，K_c表示法兰连接处弯曲刚度，单位为(N﹒m/rad)；E表示复合绝缘子弹性模量，单位为Pa；h_c表示复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c表示复合绝缘子胶装部位外径，单位为m；λ_c表示弯曲刚度系数。

优选的，所述第二关系式如下所示：

其中，9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷＝λ_c。

优选的，所述支柱绝缘子根部应力计算公式如下所示：

式中，σ表示支柱绝缘子根部应力；F表示作动器施加给支柱绝缘子顶端的拉力；H表示支柱绝缘子顶端相对于应变片粘贴处的高度；D表示支柱绝缘子的直径。

优选的，所述支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率计算公式如下所示：

式中，E表示绝缘子弹性模量；Δσ表示绝缘子根部应力之差；Δε表示绝缘子根部应变之差。

优选的，所述将单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度，包括：

将单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入基于法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径的第二关系式确定弯曲刚度。

一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算系统，包括：

获取模块：用于获取单节绝缘子结构尺寸参数；

计算模块：用于将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括：复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径。

优选的，还包括建模模块，

所述建模模块用于：基于实验方法得到法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、弯曲刚度系数、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径关系的第一关系式；

基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

将线性关系的系数带入第一关系式得到第二关系式；

其中，所述弹性模量为支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率。

优选的，所述建模模块包括：第一计算式、第二计算式、实验子模块和斜率计算子模块；

所述第一计算式如下：

式中，K_c表示法兰连接处弯曲刚度，单位为(N﹒m/rad)；E表示复合绝缘子弹性模量，单位为Pa；h_c表示复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c表示复合绝缘子胶装部位外径，单位为m；λ_c表示弯曲刚度系数；

所述第二计算式如下：

其中，9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷＝λ_c；

所述实验子模块用于：基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

所述斜率计算子模块包括如下计算式：

式中，E表示绝缘子弹性模量；Δσ表示绝缘子根部应力之差；Δε表示绝缘子根部应变之差。

与最接近的现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1、本发明涉及一种弯曲刚度计算方法与系统，获取单节绝缘子结构尺寸参数，将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度，使得复合材料绝缘子胶装节点数值模拟问题得到有效的解决。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的±1100kV复合支柱绝缘子装配示意图；

图3为本发明的绝缘子法兰胶装处的弯曲刚度系数与弹性模量的关系；

图4a为本发明的Model-1 1阶振型f＝0.59Hz；

图4b为本发明的Model-1 2阶振型f＝3.96Hz；

图4c为本发明的Model-2 1阶振型f＝0.61Hz；

图4d为本发明的Model-2 2阶振型f＝3.97Hz。

具体实施例

下面结合具体的实施例，对本发明内容做进一步的解释说明：

如图1所示：

步骤1：获取单节绝缘子结构尺寸参数；

步骤2：将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径。

以下是对上述步骤的进一步解释说明：

为了准确测量设备法兰的弯曲刚度，以±1100kV绝缘子设备单节元件为试验件，分别进行单节设备弹性模量和法兰弯曲刚度试验。±1100kV实心复合材料支柱绝缘子总长15.66m，总重3.7吨，图2a给出其装配示意图。该支柱绝缘子由6根单节绝缘子(从上至下依次标注为A1、A2、A3、A4、A5、A6)组装而成，各单节绝缘子均由直径为300mm的实心复合材料绝缘子柱构成，绝缘子柱的两端与法兰通过黏合剂胶装连接。其中图2b为单节套管与法兰胶装连接的参数，d为法兰胶装外径，h为法兰高度。

支柱绝缘子根部的应力可通过下式计算：

其中F为作动器施加给支柱绝缘子顶端的拉力，H为支柱绝缘子顶端相对于应变片粘贴处的高度，D为支柱绝缘子的直径。

法兰胶装部位的弯曲刚度定义为：

其中，M为作用在胶装部位的力矩，F为作用在绝缘子顶端的拉力，L为支柱绝缘子的长度，θ为胶装部位转角。

通过绝缘子根部的弯矩与法兰转角之间的关系曲线，曲线斜率即为绝缘子法兰连接部位的弯曲刚度，然后将弯曲刚度取平均值，得出单节绝缘子弯曲刚度。

通过绝缘子厂家提供的产品结构参数可知，复合材料绝缘子胶装厚度几乎可以忽略不计，分析法兰弯曲刚度与胶装参数之间的关系，假设法兰弯曲刚度与胶装高度(h_c)、胶装外径(d_c)以及绝缘子弹性模量(应力曲线斜率)(E)关系式如下：

其中λ_c为弯曲刚度系数。

以±1100kV复合支柱绝缘子法兰弯曲刚度试验数据为例，各项参数与法兰弯曲刚度关系如下表1所示，其中绝缘子节数1至6为±1100kV复合支柱绝缘子。

表1复合支柱绝缘子法兰弯曲刚度试验参数

通过上述数据分析可知，法兰胶装高度与法兰胶装外径变化不大的情况下，弯曲刚度系数与法兰弯曲刚度变化范围较大，假设弯曲刚度系数为与法兰弹性模量相关的关系式，进一步对试验数据进行拟合研究，可得出弯曲刚度系数与绝缘子弹性模量为线性关系，如图3所示。

从上图可知法兰弯曲刚度系数λ_c与绝缘子弹性模量E可表示如下：

λ_c＝9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷

将弯曲刚度系数公式(4)代入式(3)，可知复合材料绝缘子法兰胶装部位弯曲刚度与法兰胶装参数以及绝缘子弹性模量之间的关系式如下：

上式中，K_c为法兰连接处弯曲刚度，单位为(N﹒m/rad)；E为复合绝缘子弹性模量，单位为Pa，h_c为复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c为复合绝缘子胶装部位外径，单位为m。

基于法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径的关系式的验证：

通过运用有限元结构分析软件ABAQUS，建立±1100kV复合材料支柱绝缘子数值模型，绝缘子套管段与法兰段均采用梁单元来模拟，法兰连接段通过弯曲刚度可得出梁单元截面尺寸，从而建立数值仿真模型。其中，法兰连接段弯曲刚度由试验测试得出的计算模型称为Model-1，由基于法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径的关系式得出的模型称为Model-2，分别与±1100kV复合材料支柱绝缘子地震模拟振动台试验结果进行对比，从而验证复合材料法兰弯曲刚度计算公式的有效性。

选用通用有限元结构分析软件ABAQUS建立±1100kV复合材料支柱绝缘子数值模型。绝缘子套管段结构尺寸与试验一致，各节弹性模量值为表2中的平均值。Model-1与Model-2各节法兰段梁单元截面直径(单位为mm)如下表所示。

表2模型材料参数

然后分别对Model-1和Model-2进行模态分析，分别得到了模型的振型与自振频率，如下图4a、图4b、图4c和图4d所示。两种模型得到的自振频率与试验结果的对比如下表3所示。

表3模型的自振频率对比

从上表可知Model-1模型的1、2、3阶频率相对误差分别为6.3％、1.5％、0％；Model-2模型的1、2、3阶频率相对误差分别为3.2％、1.8％、0.8％。由此可知，Model-2模型能够较好的反应真实模型的自振频率。

实施例2

本发明还涉及一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算系统，包括：

获取模块：用于获取单节绝缘子结构尺寸参数；

计算模块：用于将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括：复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径。

还包括建模模块，

所述建模模块用于：基于实验方法得到法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、弯曲刚度系数、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径关系的第一关系式；

基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

将线性关系的系数带入第一关系式得到第二关系式；

其中，所述弹性模量为支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率。

所述建模模块包括：第一计算式、第二计算式、实验子模块和斜率计算子模块；

所述第一计算式如下：

式中，K_c表示法兰连接处弯曲刚度，单位为(N﹒m/rad)；E表示复合绝缘子弹性模量，单位为Pa；h_c表示复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c表示复合绝缘子胶装部位外径，单位为m；λ_c表示弯曲刚度系数；

所述第二计算式如下：

其中，9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷＝λ_c；

所述实验子模块用于：基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

所述斜率计算子模块包括如下计算式：

式中，E表示绝缘子弹性模量；Δσ表示绝缘子根部应力之差；Δε表示绝缘子根部应变之差。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取单节绝缘子结构尺寸参数；

将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括：复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径；

所述弯曲刚度与弹性模量之间的关系式的构建包括：

基于实验方法得到法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、弯曲刚度系数、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径关系的第一关系式；

基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

将线性关系的系数带入第一关系式得到第二关系式；

其中，所述弹性模量为支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率；

所述第一关系式如下所示：

式中，K_c表示法兰连接处弯曲刚度，单位为N﹒m/rad；E表示复合绝缘子弹性模量，单位为Pa；h_c表示复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c表示复合绝缘子胶装部位外径，单位为m；λ_c表示弯曲刚度系数；

所述第二关系式如下所示：

其中，9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷＝λ_c。

2.如权利要求1所述的一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法，其特征在于，所述支柱绝缘子根部应力计算公式如下所示：

式中，σ表示支柱绝缘子根部应力；F表示作动器施加给支柱绝缘子顶端的拉力；H表示支柱绝缘子顶端相对于应变片粘贴处的高度；D表示支柱绝缘子的直径。

3.如权利要求2所述的一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法，其特征在于，所述支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率计算公式如下所示：

式中，E表示绝缘子弹性模量；Δσ表示绝缘子根部应力之差；Δε表示绝缘子根部应变之差。

4.如权利要求1所述的一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算方法，其特征在于，将单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度，包括：

将单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入基于法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径的第二关系式确定弯曲刚度。

5.一种复合材料绝缘子法兰胶装连接处弯曲刚度计算系统，其特征在于，包括：

获取模块：用于获取单节绝缘子结构尺寸参数；

计算模块：用于将所述单节绝缘子弹性模量和结构尺寸参数带入预先构建的弯曲刚度与弹性模量之间的关系式计算弯曲刚度；

所述结构尺寸参数包括：复合绝缘子与法兰胶装高度和复合绝缘子胶装部位外径；

还包括建模模块，

所述建模模块用于：基于实验方法得到法兰连接处弯曲刚度与复合绝缘子弹性模量、弯曲刚度系数、法兰胶装高度以及复合绝缘子胶装部位外径关系的第一关系式；

基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

将线性关系的系数带入第一关系式得到第二关系式；

其中，所述弹性模量为支柱绝缘子根部应力组成的曲线的斜率；

所述建模模块包括：第一计算式、第二计算式、实验子模块和斜率计算子模块；

所述第一计算式如下：

式中，K_c表示法兰连接处弯曲刚度，单位为N﹒m/rad；E表示复合绝缘子弹性模量，单位为Pa；h_c表示复合绝缘子与法兰胶装高度，单位为m；d_c表示复合绝缘子胶装部位外径，单位为m；λ_c表示弯曲刚度系数；

所述第二计算式如下：

其中，9.01×10⁷E-5.09×10¹⁷＝λ_c；

所述实验子模块用于：基于实验得到第一关系式的弯曲刚度系数与复合绝缘子弹性模量的线性关系的系数；

所述斜率计算子模块包括如下计算式：

式中，E表示绝缘子弹性模量；Δσ表示绝缘子根部应力之差；Δε表示绝缘子根部应变之差。