CN112084683B - 一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法，包括：（1）根据实际结构，建立输电线路用铝合金材料金具的有限元模型，采用网格划分进行单元离散化，把变形体当作有限数目的单元集合，各个单元之间仅在指定节点处连接，并只通过节点传递单元之间的相互作用；（2）分片近似，小单元分析；（3）集合方程，求解方程组，通过直接迭代法和Newton‑Raphson法进行刚‑（粘）塑性有限元计算求解；（4）结果分析，按需求分析，根据求解计算的最终目的，对求解结果进行分析，达到输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析目的。本发明对于探究线路金具尤其是连接金具的材料性能，掌握其薄弱点和薄弱环节，对于提高输电线路运行稳定性具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法，属电力线路金具技术领域。
背景技术
近年来，随着国民经济的快速发展，我国的电网在不断满足经济建设要求的过程中，得到了极大的推进，电网的电压等级不断提高，容量不断扩大；同时我国一次能源与生产力分布极不均衡，水能、煤炭资源主要分布在西部和北部，用电需求主要集中在东部和中南部经济发达地区。我国能源资源和用能分布格局，决定了“西电东送”和“北煤南运”的基本能源流向，电力供应和煤炭运输日趋紧张，电网输电压力越来越大。采用更高电压等级的直流输电方式，可实现长距离、大规模西电东送，对建设资源节约型和环境友好型电网，加快能源资源优化配置具有重要意义。
金具是输电线路工程的重要组成部分，线路金具数量多、种类杂，其性能关系输电线路的质量和长期稳定运行。其中，连接金具是线路金具中的重要构成部分，其功能是完成导线与杆塔的连接，承载机械载荷。连接金具的设计、制造工艺直接关系到输电线路整体运行的安全性与稳定性，连接金具失效导致的输电线路事故灾害时有发生。因此，探究线路金具尤其是连接金具的材料性能，掌握其薄弱点和薄弱环节，对于提高输电线路运行稳定性具有重要的现实意义。
锻造是常见连接金具的最重要的制造方式之一。锻压是利用金属材料的塑性，借助于外力作用，使材料发生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸，金具锻压加工中常采用模锻、自由锻和冲压工艺。锻压性能是金属材料在锻压加工中承受塑性变形而不破裂的能力。塑性越大，则变形抗力越小，则锻造性能越好。因此，对于锻压类金具，要求其具有好的塑性。
塑性变形的有限元计算方法的基本思想是由解给定的泊松方程转化为求解泛函的极值问题，塑性成形多为大变形问题，与塑性变形量相比，材料的弹性变形量可以不予考虑，因此，在分析塑性成形过程中，最常用的塑性有限元法是刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法，前者适用于冷加工，而后者适用于热加工与应变速率敏感性材料的塑性变形过程。
发明内容
本发明的目的是，为了探究线路金具尤其是连接金具的材料性能，掌握其薄弱点和薄弱环节，提高输电线路运行稳定性，提出一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法。
实现本发明的技术方案如下，一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法，所述方法对每个单元进行单独分析，通过构建单元刚度矩阵建立起单元节点应力与单元节点位移之间的关系；将各刚度矩阵进行组合；通过刚度集成组建成系统的总体刚度方程；对于输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析，采用刚-塑性有限元法进行处理。
所述方法步骤如下：
(1)单元离散化，把变形体当作有限数目的单元集合，各个单元之间仅在指定节点处连接，并只通过节点传递单元之间的相互作用。
(2)对每个单元选择由相关节点量确定的函数近似描述位移或速度变量，根据相关的原理建立各物理量间的关系式。
(3)集成各单元建立的关系式，得出与有限节点相关的总体方程，求出有限节点的未知量，从而得出整体问题的近似解，如应变、应变速率、应力。
(4)根据求解计算的最终目的，对求解结果进行分析，达到最终目的。
所述单元节点应力与单元节点位移之间的关系式如下：
[K](e){δ}(e)＝{F}(e)
式中，[K](e)为单元的刚度矩阵；{δ}(e)为单元节点位移矩阵；{F}(e)为单元节点应力矩阵。
所述系统的总体刚度方程为：
[K](s){δ}(s)＝{F}(s)
式中，[K](s)为总体的刚度矩阵；{δ}(s)为总体节点位移矩阵；{F}(s)为总体节点应力矩阵。
对于输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析，采用刚粘塑性有限元法进行分析。根据材料非线性本构关系式的不同，有限元在金属成形过程模拟中的应用主要分为两大类：弹-(粘)塑性和刚-(粘)塑性有限元。同时，对于输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析，采用刚-(粘)塑性有限元。
所述刚-(粘)塑性有限元，忽略金属成形过程中的弹性变形，运用的基本理论是Markv变分原理。该理论认为，使泛函取驻值的速度场就是最真实的速度场，可以根据这个速度场计算个点的应力和应变。采用Levy-Mises方程和Mises屈服准则通过速度积分处理集合非线性问题，每一加载步计算，都在以前材料累加变形的几何形状和硬化状态的基础上进行。
本发明在模拟过程中提出一些假设，将变形的某些过程加以理想化，以便数学处理；基本假设包括：
①材料的弹性变形忽略不计；
②材料的变形流动服从Levy-Mises流动法则；
③材料是均质各向同性体；
④材料满足体积不可压缩性；
⑤体积力与惯性力忽略不计；
⑥加载条件(加载面)给出弹性区与塑性区的界限。
总的来说，刚-(粘)塑性有限元分析计算程序精简、计算效率较高，可以在DEFORM中完成分析。
本发明的有益效果是，本发明通过对每个单元进行单独分析，通过构建单元刚度矩阵建立起单元节点应力与单元节点位移之间的关系，并通过刚度集成组建成系统的总体刚度方程，采用刚-(粘)塑性有限元模型分析和计算铝合金材料金具的塑性变形，计算程序精简、计算效率较高，可以在基于有限元的工艺仿真系统中完成分析。
附图说明
图1U型环金具分析用几何模型；
图2U型环的材料塑性应力应变拟合曲线图；
图3U型环金具分析载荷位置示意图；
图4拉力为504kN时，U型环应力分布图；
图5U型环塑性变形区域分布图；
图6U型环塑性变形区域分布图(最终)；
图7U型环位移-载荷曲线；
图8为本发明实现流程图。
具体实施方式
图8所示为本实施例一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法的技术流程图。
如图8所示，下面结合420kN吨位等级高强材料U型环金具对本发明做进一步的详细说明。
(1)分析模型
本实施例以420kN吨位等级高强材料U型环为例，为了有效模拟试验中U型环的实际拉伸情况，对U型环的螺栓孔施加固定约束，对另一侧的连接件施加载荷的方式模拟。
U型环的拉伸弹塑性仿真有限元模型包括U型环和连接部件两个部分。
模型整体采用实体网格，如图1所示。
U型环的材料拟合曲线如图2所示，由于此次分析的对象为U型环，因此连接件采用普通线弹性材料。本次分析设置的接触为U型环与连接件之间的曲面接触。由于在拉伸过程中，U型环与连接件之间的相对滑移非常小，因此接触类型设置为绑定接触。
施加载荷大小为504kN，其加载位置位于连接件的端面处，U型环上部螺栓孔固定，如图3所示。载荷随时间缓慢增加的方式，以模拟随着载荷的增大，U型环从弹性变形到塑性变形的整体变化。
(2)分析结果
在拉力达到504kN时，U型环的等效应力如图4所示。最大等效应力为765.4MPa，超过屈服极限696.84MPa，已发生塑性变形。但是未达到抗拉强度1020.5MPa。
U型环的塑性变形区域如图5所示。
从图5可以看出，U型环的连接处和固定处已经有部分发生塑性变形，如果载荷持续增加，此处首先发生断裂。计算截止到504kN载荷，在最终时刻，U型环的变形如图6所示。
图6为载荷为504kN时，U型环的变形情况。下端变形最大，与实际情况相符，最大变形量为0.89mm。
经拟合得到载荷-位移曲线如图7所示。
从图7可以看出，在拉力载荷504kN左右，U型环达到了屈服极限，发生塑性变形。在载荷达到504kN时，U型环仍然没有达到抗拉极限，但是塑性变形区域已经贯穿U型环下部区域。
Claims (1)
1.一种输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析方法，其特征在于，所述方法对每个单元进行单独分析，通过构建单元刚度矩阵建立起单元节点应力与单元节点位移之间的关系；将各刚度矩阵进行组合；通过刚度集成组建成系统的总体刚度方程；对于输电线路用铝合金材料金具的塑性变形分析，采用刚-粘塑性有限元进行处理；
所述方法步骤如下：
(1)单元离散化，把变形体当作有限数目的单元集合，各个单元之间仅在指定节点处连接，并只通过节点传递单元之间的相互作用；
(2)对每个单元选择由相关节点量确定的函数近似描述位移或速度变量，根据相关的原理建立各物理量间的关系式；
(3)集成各单元建立的关系式，得出与有限节点相关的总体方程，求出有限节点的未知量，从而得出整体问题的近似解，包括应变、应变速率和应力；
(4)根据求解计算的最终目的，对求解结果进行分析，达到最终目的；
所述单元节点应力与单元节点位移之间的关系式如下：
[K](e){δ}(e)＝{F}(e)
式中，[K](e)为单元的刚度矩阵；{δ}(e)为单元节点位移矩阵；{F}(e)为单元节点应力矩阵；
所述系统的总体刚度方程为：
[K](s){δ}(s)＝{F}(s)
式中，[K](s)为总体的刚度矩阵；{δ}(s)为总体节点位移矩阵；{F}(s)为总体节点应力矩阵；
所述刚-粘塑性有限元，忽略金属成形过程中的弹性变形，运用Markv变分原理，泛函取最真实的速度场；采用Levy-Mises方程和Mises屈服准则通过速度积分处理集合非线性问题，每一加载步计算，都在以前材料累加变形的几何形状和硬化状态的基础上进行。
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