基于ANSYS的输电钢管杆结构分析

基于ANSYS的输电钢管杆结构分析作者：梁雄
来源：《环球市场》2019年第36期
摘要：本文通过运用有限元分析软件ANSYS Workbench对高压钢管杆在设定工况下的应力及变形情况进行分析。

结果表明，在设定工况下，钢管杆的最大应力小于钢管杆材料的许用应力。

所分析钢管杆疲劳强度合格。

关键词：钢管杆;载荷;ANSYS
在输电通道日渐紧张的情况下，钢管杆已成为一种日渐重要的输电杆塔形式，其在设计条件下的安全运行就显得尤为重要。

本文考虑在设定工况条件下对某型号高压输电钢管杆强度和应力应变进行分析，理论分析钢管杆安全状态。

本文所分析的钢管杆为220kV单回钢管杆，参数如表1：
一、设定载荷
本次根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB 50545-2010规定各种组合工况下的载荷，运用NSA钢管杆设计系统，得到钢管杆在运行中的最不利载荷数据，再将此载荷作为ANSYS中结构分析载荷的依据。

二、分析模型建立
本次基于SolidWorks和ANSYS Workbench平台完成高压输电钢管杆的分析，流程如图1。

对钢管杆的实体模型的网格划分需要使用高级尺寸控制功能，采用基于曲率和粗糙的设定，其余采用Mesh模块的默认设定。

三、基于ANSYS Workbench的结构计算
采用几何（Geometry）→静态结构分析（Static Structural）→模态分析（Modal）的顺序。

在Geometry模块中得到合适的分析模型，Static Structural模塊里进行静态分析，Modal模块进行模态分析。

（一）静态结构分析结果
此部分计算了在设定载荷下钢管杆所受等效应力（Equivalent stress）和等效弹性应变（Equivalent Elastic Strain）以及总形变量（TotalDeformation），结果如图20
等效应力最大值为410MPa，位于杆身横担连接座的加劲板处;考虑到此处的建模存在过渡不圆滑，存在应力集中，实际情况下的应力应比计算值小。

等效弹性应变最大值为0.0026m/m，位置与等效应力极值所处位置相同
总位移量最大值为0.53688m，位于钢管杆杆身顶部，其最大挠度值满足规程要求。

结果表明，主材的应力值最小，应力值最大的都是收到导线直接拉力的横担;在设定载荷作用下的钢管杆所受应力小于钢管杆材料Q420的许用应力420MPa，应变和总形变量的最大值也比较小，故此时钢管杆处于安全状态。

（二）模态分析结果
前六阶结果表明，在第一阶时钢管杆形变量最大，此时钢管杆可能会出现共振。

四、塔体疲劳分析
金属材料在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料会发生疲劳破坏现象。

材料在不同应力循环下的持久极限，对称循环的持久极限最小，在对称循环条件下校核钢管杆的疲劳强度。

材料的持久极限与静载荷下强度极限的关系有：
构件持久极限公式：
式中：
σ-1：材料（光滑小试样）持久极限
Kσ：有效应力集中系数（2～3）
εσ：构件尺寸系数（0.6～1）
β：表面质量系数（0.5～0.9）
钢管杆材料中，静载荷下强度极限最小的为Q235钢，其σb=235MPa
对于对称循环，σmax=σa
采用安全系数法校核疲劳强度，强度校核公式为：
带入分析出的数值
即钢管杆强度校核合格。

此外，实际钢管杆受到应力最大这部分构件材料为Q420钢，σb=420MPa，此时更安全。

由应力分析云图可以看到，最大应力值处在加劲板的尖角处。

在加工时可对这部分进行适当处理，减小应力集中，使应力分布平滑。

综上，钢管杆疲劳强度合格。

五、结束语
在所设工况载荷下，钢管杆的最大形变量、最大应力小于钢管杆材料的使用要求。

通过疲劳强度校核，钢管杆疲劳强度合格。

因此，钢管杆处于安全状态。

参考文献：
[1]陈祥和，刘在国，肖琦.输电杆塔及基础设计[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2]GB 50545-2010 110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].
[3]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2005.。