瓷支柱絕緣子ANSYS仿真

1、項(xiàng)目總結(jié)電氣0912班 盧晨我主要負(fù)責(zé)仿真部分，故主要對(duì)仿真過(guò)程中遇到的困難及所得到的仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于支柱絕緣子的性質(zhì)及目前采用的探傷方法等省略不述。一、建模采用自底向上的建模方法，先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后由點(diǎn)到線(xiàn)、到面、再到體，完成支柱絕緣子的模型建立。數(shù)據(jù)采用華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲波探傷的初步研究中數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。最后數(shù)據(jù)應(yīng)采用所研究的支柱絕緣子所提供的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。應(yīng)計(jì)算的參數(shù)有傘數(shù)、總高、最大傘徑、上下安裝孔尺寸等。對(duì)于支柱絕緣子所用的材料的物理性質(zhì)也要有所了解，以配合仿真。例如陶瓷部分及鑄鐵部分的單元類(lèi)型、彈性模量、泊松比、密度及波速等。在本次仿真中采用數(shù)據(jù)如下

2、：陶瓷：采用Solid65單元類(lèi)型楊氏模量7.3×1010N/m2波松比為0.38波速為3.1x103m/s密度為7.6x103kg/m3單元類(lèi)型:Solid 65三維鋼筋混凝土實(shí)體單元，能夠計(jì)算拉裂和壓碎；在混凝土應(yīng)用中，該單元的實(shí)體功能可以用于建立混凝土模型，同時(shí)，還可用加筋功能建立鋼筋混凝土模型；該單元由八個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、 y、z方向的平動(dòng)。本混凝土單元與SOLID45 (三維結(jié)構(gòu)實(shí)體)單元類(lèi)似，只是增加了特別的斷裂和壓碎功能；所建立的混凝土模型具有斷裂（沿三個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形和蠕變功能；鋼筋模型具有拉伸和壓縮功能，沒(méi)有剪切功能。鑄鐵

3、部分：采用Solid186單元類(lèi)型楊氏模量1.05×1011Nm2波松比為0.28波速為3.7×103ms密度7.7x103kgm3設(shè)置方法為：選擇主菜單中的PreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，彈出Define Material Model Behavior對(duì)話(huà)框，依次雙擊右邊的Material Models Available列表框中的StructuralLinearElastic Isotropie選項(xiàng)，在隨之彈出的Linear Isotropic Properties for Material Number對(duì)話(huà)框中輸

4、入材料的彈性模量和泊松比。完成后，點(diǎn)擊Fluids/Viscosity選項(xiàng)，在對(duì)話(huà)框中輸入波速。完成后點(diǎn)擊Acoustics/Density選項(xiàng)，輸入密度。因?yàn)樵贏nsys中對(duì)于各物理量的單位沒(méi)有要求，因此只要符合一統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)即可，但是需用e表示。設(shè)置好屬性后，在主菜單中選擇Prepeocessor菜單，在展開(kāi)的子菜單項(xiàng)中選擇Element Type，展開(kāi)下面的子菜單項(xiàng)，選擇AddEditDelete命令，彈出Element Type對(duì)話(huà)框，單擊Add按鈕，添加單元，彈出Library of Element Type對(duì)話(huà)框，可以看到Library of Element Type列表框中所提供的單

5、元類(lèi)型。將材料與單元屬性匹配即可。具體的匹配過(guò)程，在網(wǎng)格劃分時(shí)通過(guò)人為選擇完成。通過(guò)支柱絕緣子的具體數(shù)據(jù)，通過(guò)畫(huà)圖完成建模。完成后的圖形如下：所用的支柱絕緣子尺寸為：關(guān)鍵點(diǎn)的生成：選擇主菜單命令PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS打開(kāi)如圖所示的Creat Keypoints in Active Coordinate System對(duì)話(huà)框。以當(dāng)前激活坐標(biāo)系為參照輸入關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，單擊OK按鈕則該關(guān)鍵點(diǎn)被創(chuàng)建，如果要連續(xù)定義幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，輸入坐標(biāo)后單擊Apply按鈕，然后繼續(xù)下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的輸入。在此，需要?jiǎng)?chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)：K1(0，0，O)，K2(

6、0,0116，O)，K3(003，0116，0)，k4(003，006，O)，K5(007875，006，0)，K6(O07875，0054，0)，K7(0105，0054，0)，K8(01082，008645，0)，K9(0105，0096，O)，K10(0116，0096，0)，K11(0135，0054，0)，K12(01575，0054，0)，K13(03675，0054，O)，K14(O3675，006，O)，K15(039，006，0)，K16(039，009，0)，K17(042，009，0)，K18(042，0，0)，K19(006，0，0)，K20(006，0054，0)，K

7、21(038，0054，0)，K22(038，0O)線(xiàn)的生成：選擇主菜單命令PreprocessorModelingCreateLinesLines/In Active Coord，選擇兩個(gè)已有的關(guān)鍵點(diǎn)即可定義。先建立直線(xiàn)LSTRl-2，LSTR2-3，LSTR3-4，LSTR4-5，LSTR5-6，LSTR6-7，LSTRI 1-12，LSTRl3-14，LSTRl4-15，LSTRl5-16，LSTRl6-17，LSTRl7-18，LSTR20-6，LSTRl9-20，LSTRl32l，LSTR21-22，LSTRl8-22，LSTR22-19，LSTRl9-1。其次，生成曲線(xiàn)。選擇主菜單

8、PreprocessorModelingCreateLines/SplinesSplines thru KPs，依次選擇處于樣條曲線(xiàn)上的關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK按鈕，即可生成曲線(xiàn)。再次，建立與已知兩線(xiàn)(曲線(xiàn)和直線(xiàn))相切的曲線(xiàn)。選擇主菜單PreprocessorModelingCreateLinesLinesTan to 2 lines，首先選中已知線(xiàn)，點(diǎn)擊Apply，然后點(diǎn)擊要與該線(xiàn)相切的關(guān)鍵點(diǎn)，點(diǎn)擊Apply，再次，選中另一條已知線(xiàn)，點(diǎn)擊要與該線(xiàn)相切的關(guān)鍵點(diǎn)，點(diǎn)擊OK，這樣與兩條已知線(xiàn)同時(shí)相切的線(xiàn)即會(huì)被建立起來(lái)。最后，復(fù)制曲線(xiàn)選擇主菜單PreprocessorModelingCopyLines，選中

9、由關(guān)鍵點(diǎn)7、8、9、10、1 1、12組成的曲線(xiàn)，出現(xiàn)Copy Lines圖框復(fù)制的個(gè)數(shù)為4個(gè)，但是在這里要填5，它的本身是算在其中的，因?yàn)閭闩c傘之間的距離是00525研，因此在X方向輸入間距00525，點(diǎn)擊OK，這樣就會(huì)復(fù)制出所要的曲線(xiàn)。復(fù)制完以后，要利用主菜單PreprocessorModelingOperateBooleansGlueLines把所有的線(xiàn)粘在一起。面的生成：選擇主菜單命令PreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines，依次選擇組成面的閉合的線(xiàn)，即可得到面。體的生成：采用面繞軸旋轉(zhuǎn)拉伸生成體，選擇主菜單命令Prepeoces

10、sorOperateExtrudeAreasAbout Axis，以中軸線(xiàn)為軸旋轉(zhuǎn)360度得到體。打孔：首先，選擇WorkPlane，點(diǎn)擊offset WP by Increments，出現(xiàn)Offset WP對(duì)話(huà)框，在X，Y，Z Offsets輸入(0，009，O)，在XY，YZ，ZX Angles輸入0，90，90，點(diǎn)擊OK，坐標(biāo)將移動(dòng)到此處(0，009，O)，坐標(biāo)系將隨之旋轉(zhuǎn)。X，Y，Z Offsets表示工作平面在原有坐標(biāo)原點(diǎn)下向X,Y,Z軸移動(dòng)的位移，有正負(fù)之分。XY，YZ，ZX Angles表示XY平面繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度、YZ平面繞X軸旋轉(zhuǎn)角度、ZX平面繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度。將工作平面移動(dòng)到所

11、需位置后，選擇主菜單PreprocessorModelingCreate/VolumesCylinder/Solid Cylinder，出現(xiàn)對(duì)話(huà)框Solid Cylinder，輸入半徑0007，厚003，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓柱。然后，點(diǎn)擊最上方的Workplane/Offset WP to/Global Origin，工作平面被移回原點(diǎn)，再根據(jù)需要重新設(shè)定，以得到后面七個(gè)圓柱體。當(dāng)然，也可以根據(jù)前一次移動(dòng)后得到的結(jié)果直接輸入增量得到下一個(gè)工作平面，但我認(rèn)為第一種方法較為準(zhǔn)確。網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分前先要定義單元屬性，其定義方法在開(kāi)頭部分已經(jīng)介紹過(guò)，故不再贅述。首先，在最上方的Select選擇enti

12、ties選擇Volumes，點(diǎn)擊OK，選中將要?jiǎng)澐值捏w，利用主菜單命令PrerocessorMeshingMesh Attributes將單元類(lèi)型、材料類(lèi)型和幾何實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)起來(lái)，即將鑄鐵與陶瓷部分的單元類(lèi)型、材料類(lèi)型與幾何實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)起來(lái)。其次，選擇主菜單命令PreprocessorMeshingMesh Tool，彈出Mesh T001分網(wǎng)工具對(duì)話(huà)框，在Element Attributer設(shè)置單元屬性，此處選擇Volumes。選中Smart size復(fù)選框，通過(guò)下方的滑塊進(jìn)行Smart size分網(wǎng)水平的控制，數(shù)字越大，說(shuō)明將來(lái)劃分的網(wǎng)格越粗糙，反之，越小，網(wǎng)格劃分的越細(xì)。此文中劃分陶

13、瓷部分和鑄鐵部分均是選擇的4，在Mesh復(fù)選框設(shè)置單元形狀，此處選擇Tet。 最后，點(diǎn)擊Mesh按鈕，劃分網(wǎng)格，對(duì)于陶瓷部分和鑄鐵部分分開(kāi)劃分網(wǎng)格，方法一樣。完成上述步驟即可獲得劃分好的模型。二、求解根據(jù)論文中的思路，我先運(yùn)用了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并選擇完全法進(jìn)行求解，但是并沒(méi)有得到論文中的理想結(jié)果。在查閱了其他的有關(guān)Ansys求解方法并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)，采用了模態(tài)分析的方法進(jìn)行了求解，但時(shí)間倉(cāng)促并沒(méi)有進(jìn)行大量的模擬，只得到了完整的支柱絕緣子（無(wú)裂紋）的少數(shù)數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，驗(yàn)證了其可行性。在此，對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析，因其方法復(fù)雜且結(jié)果不理想，故不進(jìn)行詳細(xì)描述，只列出用模態(tài)分析的方法。ANSYS中的模態(tài)

14、分析是一個(gè)線(xiàn)性分析。任何非線(xiàn)性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、Power Dynamics法、縮減法、非對(duì)稱(chēng)法、阻尼法和QR阻尼法。本次采用分塊Lanczos法。選擇主菜單SolutionAnalysis TypeNew Analysis，選中Modal，點(diǎn)擊OK。選擇主菜單SolutionAnalysis TypeAnalysis Options,在對(duì)話(huà)框中Mode Extraction Method選中Block Lanczos。在求解前，應(yīng)先定義模型的自由度及載荷。選擇主菜單Solution

15、Define LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes，在鑄鐵兩底端分別選擇兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行X方向約束，以防敲擊時(shí)絕緣子隨敲擊方向移動(dòng)，在兩個(gè)鑄鐵底座任意選擇兩個(gè)節(jié)點(diǎn)施加方向UX的DOF約束。設(shè)置載荷可以通過(guò)寫(xiě)入載荷步文件的形式完成。在主菜單Solution的選項(xiàng)下點(diǎn)擊Unabridged Menu得到完整的菜單，選擇Load Step Opts/Write LS File，在對(duì)話(huà)框中寫(xiě)入需要的數(shù)據(jù)，需要注意的是，載荷步文件必須按載荷的順序?qū)懭?，且單位與材料屬性（泊松比等）保持一致，用e寫(xiě)入。仿真中采用三個(gè)載荷步文件，載荷步1：步長(zhǎng)1×10-6s，

16、載荷0N，設(shè)定初始狀態(tài)；載荷步2：步長(zhǎng)0.00005s，載荷2000N；載荷步3：步長(zhǎng)0.00005s，分3子步，載荷0N。選擇主菜單SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce MomentOn node，選擇節(jié)點(diǎn)l，在節(jié)點(diǎn)l施加X(jué)方向的力載荷0，點(diǎn)擊OK。其余的方法類(lèi)似。最后進(jìn)行求解。選擇主菜單中的Solution/Solve/Current LS。仿真結(jié)果（完整支柱絕緣子）：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)中各測(cè)試為：測(cè)試一：三個(gè)傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，力錘敲擊點(diǎn)位于第9片和第10片傘群中間柱面，如圖所示。測(cè)試二：三個(gè)傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，

17、力錘敲擊點(diǎn)位于第4片和第5片傘群中間柱面，如圖所示。測(cè)試三：三個(gè)傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，力錘敲擊點(diǎn)位于法蘭盤(pán)柱面，如圖所示。測(cè)試四：三個(gè)傳感器分別布置在1、7、13片傘群上，力錘敲擊點(diǎn)位于第六片傘群上，如圖所示。測(cè)試五：三個(gè)傳感器分別布置在1、7、13片傘群上，力錘敲擊點(diǎn)位于法蘭柱面上，如圖所示。測(cè)試六：三個(gè)傳感器分別布置在1、7片傘群上和法蘭盤(pán)底部，力錘敲擊點(diǎn)位于法蘭盤(pán)底部，如圖所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證仿真的可行性。三、裂紋的獲得有兩種方法：1、通過(guò)先構(gòu)建完整的支柱絕緣子模型于裂紋模型，再用布爾運(yùn)算中的體相減命令得到有裂紋的支柱絕緣子。命令為Preprocessor/Modeling/Create/Volumes/Block/By Dimensions。通過(guò)上述命令建立所模擬裂紋的尺寸坐標(biāo)即可。局部放大圖如下：通過(guò)此種方法，可以自行定義所模擬裂紋的大小及尺寸。其缺點(diǎn)是，對(duì)直連型裂紋有較好的相似度，但還不能模擬彎曲型裂紋或Z字型裂紋；其次，用布爾體相減的操作時(shí)，是否能對(duì)內(nèi)部的體進(jìn)行運(yùn)算我還在查閱相關(guān)資料。2、事先畫(huà)出裂紋的形狀及大小，與完整的支柱絕緣子模型進(jìn)行布爾運(yùn)算以得到有裂紋的支柱絕緣子。四、總結(jié)1. 項(xiàng)目研究進(jìn)展情況