基于ANSYS的铝合金NUT线夹设计及试验验证

罗雪成

摘要：针对铝合金NUT线夹受力分析，以NUT-2为研究对象，利用ANSYS有限元分析软件建立NUT-2有限元分析模型，结合Workbench平台分析了NUT-2受力后的应力及变形情况，并对其进行试验验证。结果表明，试验结果与有限元分析结果一致，且采用铝合金后，NUT-2线夹本体和楔子重量比铸铁件降低约63%，对输电线路节能减重具有重要意义。

关键词：NUT线夹;ANSYS;有限元;受力分析;节能减重

1 引言

电力金具是输电线路中大量使用的，用于连接电力系统各装置的金属附件。近年来，随着我国输电线路电压等级不断提高，对电力金具材料和性能提出了更高的要求。传统的电力金具材质主要以铸铁和铸钢为主，但铁质金具重量大、铸造和热镀锌过程环境污染严重，且在线路运行过程中产生磁滞和涡流，造成线路能量损耗。因此，开发绿色、环保、节能金具是电力行业发展的重要任务。

铝合金由于其密度低、比强度比刚度高，耐腐蚀性好、电磁屏蔽型好等优点，引起金具行业广泛关注。20世纪80年代，我国首次在500kV线路中推行了铝合金金具。到目前为止，国内330～500kV线路均已采用铝合金金具，但在35～110kV线路中还大量使用铁质金具[1-3]，NUT线夹就属于其中一种。开发和使用铝合金NUT线夹，对输电线路节能减重、绿色环保具有一定的积极作用。

2 有限元法及ANSYS软件介绍

有限元法是目前工程领域中最常用的数值模拟方法，其分析的基本步骤是，前处理、模型的加载和求解以及后处理。前处理是指建立实际结构件的有限元模型、定义模型的单元属性、模型的网格划分;模型的加载和求解是指模型的实际工况，对有限元模型进行载荷的加载和边界条件的约束并进行仿真;后处理是指将模拟结果提取出来，进行分析。有限元法具有适应性强、计算精度高等诸多优点，是现代设计中分析静力结构强度和刚度的重要手段[4]。而ANSYS软件是最通用的有限元分析软件，基于与多数计算机辅助设计软件的接口，实现数据的交换，ANSYS软件可以将图形学和有限元分析结合一起，提供可靠的有限元分析结果，并显示结构件的变形图和应力云图等[5]。

本文主要针对铝合金NUT-2线夹的力学性能，运用ANSYS软件的有限元结构分析技术进行模拟运算，使铝合金NUT-2线夹的结构设计不再单纯依靠经验进行，对结构的分析也不仅凭试验情况来确定。将有限元分析与试验结果相结合，利用ANSYS软件提供的可视化技术实时观察计算分析结果，全面掌握铝合金NUT-2线夹的受力情况，更好的进行结构设計和优化。

3 铝合金NUT线夹产品设计

NUT线夹属于拉线金具，用于杆塔和地锚之间连接、固定和调整拉线，其最基本的要求是要有良好的力学性能保证足够的破坏载荷。如图1所示，线夹本体与楔子接触面和螺栓孔眼处是主要的承力部位，受到较大破坏载荷时可能发生断裂，与其相连接的塔杆在不平衡拉力作用下，可能发生倒塔事故，严重威胁线路运行的安全。分析线夹本体与楔子接触面和螺栓孔力学性能，确保UT线夹通过力学性能试验，对保证输电线路安全具有重要意义。

根据以上公式可以确定铝合金NUT线夹的主要眼孔尺寸和本体厚度，其余尺寸可根据其设计规范依次确定，但采用公式的计算理论值往往与实际值有一定差距，设计人员往往需要根据计算值和以往的试验数据进行对比分析。本次设计利用ANSYS软件提供的可视化技术实时观察计算分析结果，全面掌握铝合金NUT线夹的受力情况，更好优化铝合金NUT线夹结构设计。

4 铝合金NUT线夹受力情况仿真分析

4.1 铝合金NUT线夹相关参数

铝合金NUT线夹（可调式）主要参数如下表1所示。选取NUT-2线夹进行模拟，额定载荷88kN，适用钢绞线外径9～11mm。

4.2 铝合金NUT-2线夹计算模型

NUT-2线夹主要由线夹本体、楔子和U型螺丝等部分组成，为便于计算，将NUT-2的原始模型进行简化，其结构简化过程为：将U型螺栓及螺母的螺纹进行简化，U型螺栓长度并不影响线夹本体及螺栓孔受力，将其长度进行减缩，楔子不直接和本体进行接触，将钢绞线和楔子简化为一个整体楔子，简化后楔子外形尺寸和适用钢绞线直径范围保持一致。这些简化对结构分析的影响可以忽略不计，模型的简化可以极大地减少计算量，得到最终计算模型如下图所示。

4.3 模型材料参数的确定

铝合金NUT-2线夹模型主要构成部分，线夹本体的材料为铝合金ZL101A，螺栓螺母及简化后的楔子（钢绞线和实际楔子整体）均采用Q235，其力学性能参数如下表2所示。

4.4 有限元模型建立

将简化后的模型导入ANSYS软件中，并设置接触对。为避免计算冗余，使用workbench平台中自动探测各模型体之间的接触对并生成，得到结果共生成3个接触对，其信息如下表3所示。

在ANSYS workbench平台中对模型进行网格划分以及网格控制，为提高计算效率，对线夹部分和框架部分均采用Path Independent划分四面体网格，用Element Size控制网格单元尺寸3mm，得到有限元网格模型如下图5所示。结果共生成270037个节点，170080个单元。

4.5 模型载荷及边界条件

NUT-2在实际线路使用过程中，受到的载荷主要在钢绞线的一端和U型螺栓上，为方便计算，在模型的楔子前表面施加NUT-2额定载荷88kN的力，在螺栓两个端面，施加固定约束，用于模拟NUT-2在实际受力情况下，线夹本体及螺栓眼孔的应力变化，如下图6所示。

4.6 NUT-2仿真分析计算结果

经过ANSYS软件计算分析，得到NUT-2变形云图结果如下图7所示。

NUT-2应力云图结果如下图8所示。

由分析结果可以看出，NUT-2在工作过程中应力较大部位出现在线夹本体内侧，该处应力达到254.2MPa，螺栓孔和本体相接触的部位应力集中也较明显，该部位收到的最大应力200.58MPa。模拟结果比较真实反映了NUT-2在正常服役情况下的应力及变形情况，为结构设计提供了比较真实的理论依据。

5 铝合金NUT-2试验验证

5.1 铝合金NUT-2破坏载荷试验

NUT-2线夹额定破载为88kN，考虑到1.2倍安全系数以及本体和线夹在铸造过程中由于缩孔缩松等缺陷导致的抗拉强度±5%，其理论上设计值为105.6kN。NUT-2适用钢绞线外径为φ9-11mm，经查阅资料可知，直径9mm钢绞线最小破断拉力57.8kN，直径10.5mm钢绞线最小破断拉力78.6kN，其值小于NUT-2额定破载88kN，因此在破载试验过程中，仍然将钢绞线和楔子简化为一个外形在9-11mm之间的楔子，材质为Q235。试验过程如下图9所示。

试验过程中将其拉坏，破载试验结果如下表4所示。

试验后铝合金NUT-2线夹本体如下图所示，上表中1#、2#产品破坏处在线夹本体与楔子接触处，如下图10（b）所示，3#产品破坏出在螺栓孔眼处，如下图10（a）所示。

试验结果表明线夹本体受力集中在本体和楔子接触处和螺栓孔眼处，且线夹本体和楔子接触处更容易破坏，这与有限元分析的该处受到应力比螺栓孔处更大结果一致。经过ANSYS分析，更加清晰结构件的受力大小，为结构设计提供了比较真实的理论依据，增加结构设计可靠性。

5.2 铝合金和铸铁NUT-2线夹重量对比

铝合金NUT-2线夹本体和楔子以及铸铁件重量如下表5所示。由下表可知，NUT线夹本体和楔子采用铝合金材质后，重量均减少约63%。由破载试验结果可知，铝合金强度满足NUT线夹使用要求。铝合金自身具有良好的防腐性能，不需要热镀锌，减少环境的污染。因此，使用铝合金替代铸铁件，对输电线路节能减重、绿色环保具有重要的意义。

6 结论

本文介绍了铝合金NUT线夹本体主要受力部位以及理论计算方法。

（2）利用ANSYS有限元分析软件实现了铝合金NUT线夹有限元模型的建立，并在ANSYS软件Workbench平台中，分析了NUT-2线夹的力学性能，分析结果反应了NUT-2线夹应力及变形情况，为结构设计提供了比较真实的理论依据。

（3）本文对NUT-2模拟结果进行试验验证，试验结果和ANSYS分析结果一致，ANSYS为铝合金UT线夹结构设计提供比较真实的理论依据，增加了结构设計的可靠性。

（4）本文采用铝合金NUT线夹代替铸铁件，性能满足要求，重量减少约63%，对输电线路节能减重、绿色环保具有重要的意义。

参考文献

[1]季伟， 张飞勇， 孟繁东，等.高强度铝合金材料电力金具的应用研究[J].浙江电力， 2020（6）.

[2]吴祈甬.浅谈铝合金金具在电力线路的应用[J].广西电力， 2002， 25（1）：42-43.

[3]孙武明， 包晓捷.拉线金具UT型线夹[J].数字传媒研究， 2010， 27（2）：50-50.

[4]刘淑萍.ANSYS 有限元分析软件的介绍及其应用[J].机械管理开发，2007（3）：87-88.

[5]宋鹏.ANSYS 15.0 有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2015.

[6]程应镗.送电线路金具的设计安装试验和应用[M].水利电力出版社， 1989.