碗头挂板的有限元分析与结构改进

冷档定 丁晓亮 徐有岩 吴鹏

摘 要：本文以WS-7-01型碗头挂板为研究对象，采用ANSYS Workbench进行了有限元分析，确定了正确的有限元模型，并且根据分析结果进行结构改进，设计了双碗头金具，显著降低了碗头应力。

关键词：碗头挂板;有限元分析;结构改进

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0050-02

Abstract： This paper took WS-7-01 socket clevis as the research object， and the correct finite element model was determined by ANSYS Workbench. Based on the analysis results， the structure was improved and the double socket fittings were designed， the stress of double socket fittings decreased significantly.

Keywords： socket clevis;finite element analysi;structural improvement

碗头挂板是输电线路中用于连接悬垂线夹与绝缘子串的一种重要连接金具[1，2]，在使用过程中容易出现断裂和掉串事故[3，4]，因此，需要对碗头挂板进行应力分析以及结构优化改进。本文通过ANSYS Workbench对江苏捷凯电力器材有限公司生产的WS-7-01型碗头挂板进行有限元分析，计算静载作用下碗头挂板的应力，并与试验测试结果做对比，确保有限元计算的可靠性，以此对碗头挂板提出改良方案。

1 碗头挂板的有限元分析

根据实际碗头挂板的尺寸，利用SolidWorks三维造型软件对其进行建模，如图1（a）所示。

有限元分析属于线性静力结构分析，对于各向同性的材料只需要定义弹性模量（杨氏模量）和泊松比。碗头挂板和球头挂环的材料为22Si2MnCrNi2MoA钢，材料弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

有限元建模网格的划分形式对计算精度以及计算的模型将产生直接影响。随着网格数量和质量增加，计算精度也会相对有所提高。因此，本文采取了细分网格，网格划分后生成71 844个节点和40 935个单元，有限元模型如图1（b）所示。

在球头挂环的上端面施加固定约束，限制所有自由度。考虑到碗头挂板的实际工作情况及企业的需求，施加载荷为100kN。通过有限元计算，得出碗头挂板受载后的正面和侧面应力云图，如图2所示。

由圖2可以看出，碗头挂板的整体应力较小，最大应力为1 138.6MPa，位于与碗头挂板接触面，此处属于应力集中，不予考虑，除此处外最大应力位于碗头挂板大端向小端过渡处，最大值为502.8MPa，整体应力满足强度要求。

2 碗头挂板的应力测试

为了确保有限元计算的可靠性，在碗头挂板上选取4个点，贴上应变片，在拉伸试验机上进行测试，测点位置如图3所示。各测点实际测试值与有限元计算值如表1所示。

由表1可知，总体测试结果和计算结果较吻合，误差在5%以下，具有较好的一致性，验证了有限元模型的可靠性，也为下一步碗头挂板的优化分析提供了依据。

3 碗头挂板的结构优化

从上述分析可知，最大应力位于碗头挂板的碗头和挂板的过渡处，碗头座的侧壁中间部位的应力比较小。因此，考虑将碗头和挂板的过渡圆角及碗头座内腔侧壁与底部的过渡圆角做R8圆角过渡处理，将碗头座的内腔侧壁的中间腰部切去3mm，其余不变。通过有限元计算，得出优化后的碗头挂板受载后的正面和侧面应力云图，如图4所示。

由图4碗头挂板的应力云图可知，将碗头和挂板的过渡圆角及碗头座内腔侧壁与底部的过渡圆角做R8圆角过渡处理，并且将碗头座的内腔侧壁的中间腰部切去3mm后，碗头和挂板的过渡处应力由502.82MPa下降到408.67MPa，其余位置应力变化不大，碗头挂板质量从0.118kg降到了0.108kg，整体优化效果明显。

以上分析的碗头挂板应力最大处在碗头座和挂板过渡处，而且容易出现球头从球窝中脱落的现象，因此，设计了一种双碗头连接金具，三维模型如图5所示。

由图6可知，双碗头挂板整体应力下降很多，特别体现在应力集中区，下降了606.8MPa。除应力集中外，双碗头挂板最大应力为587.91MPa，比原来下降了27.17MPa。

4 结语

通过有限元分析软件对碗头挂板进行应力分析，并与试验数据进行对比，确定正确的有限元模型。根据分析结果提出改进方案并进行结构改进，设计了双碗头金具，显著降低了碗头应力。

参考文献：

[1]魏光国.国有电力金具企业现状分析及改进建议[J].科技传播，2011（23）：65-66.

[2]候仁保.电力线路金具的展望[J].供用电，2001（5）：24-26.

[3]张宏志，李树阳.500kV线路耐张双联碗头断裂原因分析[J].东北电力技术，2007（9）：22-25.

[4]李生平，王志惠，何喜梅，等.青海电网金具失效分析研究[J].青海电力，2011（2）：17-19.