瓷支柱絕緣子ANSYS仿真

1、項目總結電氣0912班 盧晨我主要負責仿真部分，故主要對仿真過程中遇到的困難及所得到的仿真結果進行總結，對于支柱絕緣子的性質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，先定義關鍵點，然后由點到線、到面、再到體，完成支柱絕緣子的模型建立。數(shù)據(jù)采用華北電力大學碩士學位論文瓷支柱絕緣子振動聲波探傷的初步研究中數(shù)據(jù)進行模擬。最后數(shù)據(jù)應采用所研究的支柱絕緣子所提供的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到。應計算的參數(shù)有傘數(shù)、總高、最大傘徑、上下安裝孔尺寸等。對于支柱絕緣子所用的材料的物理性質也要有所了解，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單元類型:Solid 65三維鋼筋混凝土實體單元，能夠計算拉裂和壓碎；在混凝土應用中，該單元的實體功能可以用于建立混凝土模型，同時，還可用加筋功能建立鋼筋混凝土模型；該單元由八個節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度：節(jié)點坐標系的x、 y、z方向的平動。本混凝土單元與SOLID45 (三維結構實體)單元類似，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，沒有剪切功能。鑄鐵

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

4、入材料的彈性模量和泊松比。完成后，點擊Fluids/Viscosity選項，在對話框中輸入波速。完成后點擊Acoustics/Density選項，輸入密度。因為在Ansys中對于各物理量的單位沒有要求，因此只要符合一統(tǒng)一標準即可，但是需用e表示。設置好屬性后，在主菜單中選擇Prepeocessor菜單，在展開的子菜單項中選擇Element Type，展開下面的子菜單項，選擇AddEditDelete命令，彈出Element Type對話框，單擊Add按鈕，添加單元，彈出Library of Element Type對話框，可以看到Library of Element Type列表框中所提供的單

5、元類型。將材料與單元屬性匹配即可。具體的匹配過程，在網(wǎng)格劃分時通過人為選擇完成。通過支柱絕緣子的具體數(shù)據(jù)，通過畫圖完成建模。完成后的圖形如下：所用的支柱絕緣子尺寸為：關鍵點的生成：選擇主菜單命令PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS打開如圖所示的Creat Keypoints in Active Coordinate System對話框。以當前激活坐標系為參照輸入關鍵點坐標，單擊OK按鈕則該關鍵點被創(chuàng)建，如果要連續(xù)定義幾個關鍵點，輸入坐標后單擊Apply按鈕，然后繼續(xù)下一個關鍵點坐標的輸入。在此，需要創(chuàng)建關鍵點：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)線的生成：選擇主菜單命令PreprocessorModelingCreateLinesLines/In Active Coord，選擇兩個已有的關鍵點即可定義。先建立直線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。選擇主菜單

8、PreprocessorModelingCreateLines/SplinesSplines thru KPs，依次選擇處于樣條曲線上的關鍵點，單擊OK按鈕，即可生成曲線。再次，建立與已知兩線(曲線和直線)相切的曲線。選擇主菜單PreprocessorModelingCreateLinesLinesTan to 2 lines，首先選中已知線，點擊Apply，然后點擊要與該線相切的關鍵點，點擊Apply，再次，選中另一條已知線，點擊要與該線相切的關鍵點，點擊OK，這樣與兩條已知線同時相切的線即會被建立起來。最后，復制曲線選擇主菜單PreprocessorModelingCopyLines，選中

9、由關鍵點7、8、9、10、1 1、12組成的曲線，出現(xiàn)Copy Lines圖框復制的個數(shù)為4個，但是在這里要填5，它的本身是算在其中的，因為傘與傘之間的距離是00525研，因此在X方向輸入間距00525，點擊OK，這樣就會復制出所要的曲線。復制完以后，要利用主菜單PreprocessorModelingOperateBooleansGlueLines把所有的線粘在一起。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，即可得到面。體的生成：采用面繞軸旋轉拉伸生成體，選擇主菜單命令Prepeoces

10、sorOperateExtrudeAreasAbout Axis，以中軸線為軸旋轉360度得到體。打孔：首先，選擇WorkPlane，點擊offset WP by Increments，出現(xiàn)Offset WP對話框，在X，Y，Z Offsets輸入(0，009，O)，在XY，YZ，ZX Angles輸入0，90，90，點擊OK，坐標將移動到此處(0，009，O)，坐標系將隨之旋轉。X，Y，Z Offsets表示工作平面在原有坐標原點下向X,Y,Z軸移動的位移，有正負之分。XY，YZ，ZX Angles表示XY平面繞Z軸旋轉角度、YZ平面繞X軸旋轉角度、ZX平面繞Y軸旋轉角度。將工作平面移動到所

11、需位置后，選擇主菜單PreprocessorModelingCreate/VolumesCylinder/Solid Cylinder，出現(xiàn)對話框Solid Cylinder，輸入半徑0007，厚003，這樣就會產(chǎn)生一個圓柱。然后，點擊最上方的Workplane/Offset WP to/Global Origin，工作平面被移回原點，再根據(jù)需要重新設定，以得到后面七個圓柱體。當然，也可以根據(jù)前一次移動后得到的結果直接輸入增量得到下一個工作平面，但我認為第一種方法較為準確。網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分前先要定義單元屬性，其定義方法在開頭部分已經(jīng)介紹過，故不再贅述。首先，在最上方的Select選擇enti

12、ties選擇Volumes，點擊OK，選中將要劃分的體，利用主菜單命令PrerocessorMeshingMesh Attributes將單元類型、材料類型和幾何實體模型相對應起來，即將鑄鐵與陶瓷部分的單元類型、材料類型與幾何實體模型相對應起來。其次，選擇主菜單命令PreprocessorMeshingMesh Tool，彈出Mesh T001分網(wǎng)工具對話框，在Element Attributer設置單元屬性，此處選擇Volumes。選中Smart size復選框，通過下方的滑塊進行Smart size分網(wǎng)水平的控制，數(shù)字越大，說明將來劃分的網(wǎng)格越粗糙，反之，越小，網(wǎng)格劃分的越細。此文中劃分陶

13、瓷部分和鑄鐵部分均是選擇的4，在Mesh復選框設置單元形狀，此處選擇Tet。 最后，點擊Mesh按鈕，劃分網(wǎng)格，對于陶瓷部分和鑄鐵部分分開劃分網(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，我先運用了瞬態(tài)動力學分析，并選擇完全法進行求解，但是并沒有得到論文中的理想結果。在查閱了其他的有關Ansys求解方法并結合實際試驗，采用了模態(tài)分析的方法進行了求解，但時間倉促并沒有進行大量的模擬，只得到了完整的支柱絕緣子（無裂紋）的少數(shù)數(shù)據(jù)，與實驗數(shù)據(jù)相比，驗證了其可行性。在此，對于動力學分析，因其方法復雜且結果不理想，故不進行詳細描述，只列出用模態(tài)分析的方法。ANSYS中的模態(tài)

14、分析是一個線性分析。任何非線性特性，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、非對稱法、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，點擊OK。選擇主菜單SolutionAnalysis TypeAnalysis Options,在對話框中Mode Extraction Method選中Block Lanczos。在求解前，應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節(jié)點進行X方向約束，以防敲擊時絕緣子隨敲擊方向移動，在兩個鑄鐵底座任意選擇兩個節(jié)點施加方向UX的DOF約束。設置載荷可以通過寫入載荷步文件的形式完成。在主菜單Solution的選項下點擊Unabridged Menu得到完整的菜單，選擇Load Step Opts/Write LS File，在對話框中寫入需要的數(shù)據(jù)，需要注意的是，載荷步文件必須按載荷的順序寫入，且單位與材料屬性（泊松比等）保持一致，用e寫入。仿真中采用三個載荷步文件，載荷步1：步長1×10-6s，

16、載荷0N，設定初始狀態(tài)；載荷步2：步長0.00005s，載荷2000N；載荷步3：步長0.00005s，分3子步，載荷0N。選擇主菜單SolutionDefine LoadsApplyStructuralForce MomentOn node，選擇節(jié)點l，在節(jié)點l施加X方向的力載荷0，點擊OK。其余的方法類似。最后進行求解。選擇主菜單中的Solution/Solve/Current LS。仿真結果（完整支柱絕緣子）：實驗結果：實驗中各測試為：測試一：三個傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，力錘敲擊點位于第9片和第10片傘群中間柱面，如圖所示。測試二：三個傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，

17、力錘敲擊點位于第4片和第5片傘群中間柱面，如圖所示。測試三：三個傳感器分別布置在2、7、13片傘群上，力錘敲擊點位于法蘭盤柱面，如圖所示。測試四：三個傳感器分別布置在1、7、13片傘群上，力錘敲擊點位于第六片傘群上，如圖所示。測試五：三個傳感器分別布置在1、7、13片傘群上，力錘敲擊點位于法蘭柱面上，如圖所示。測試六：三個傳感器分別布置在1、7片傘群上和法蘭盤底部，力錘敲擊點位于法蘭盤底部，如圖所示。對比實驗數(shù)據(jù)，可驗證仿真的可行性。三、裂紋的獲得有兩種方法：1、通過先構建完整的支柱絕緣子模型于裂紋模型，再用布爾運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。通過上述命令建立所模擬裂紋的尺寸坐標即可。局部放大圖如下：通過此種方法，可以自行定義所模擬裂紋的大小及尺寸。其缺點是，對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，是否能對內部的體進行運算我還在查閱相關資料。2、事先畫出裂紋的形狀及大小，與完整的支柱絕緣子模型進行布爾運算以得到有裂紋的支柱絕緣子。四、總結1. 項目研究進展情況