电力电缆皱纹铝护套的强度—变形分析.pdf
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1、1 8 9 9年 第 3期 No 3 199 9 j 【 移 缆 叁 1i 3 1 i 6 El e c t r i c W i r e( ; a b l e J n 1 9 9 9 。 电 电缆 l 舰 9 9 d年月 I K 0 u 电力 电缆 皱 纹 铝 护 套 的强 度一 变形 分 析 刘广松 , 庄 茁 , 李 良玉 , 赵 晖z , 王汝莹z ( 1 清 华 大学 工程 力学 系, 北 京 1 0 0 0 9 4 ; 2 山东电 缆电 器胜 份有 限舟 司 山末 新 泰 2 7 1 Z 0 0 ) _ r o 摘 要 : 在 6 4 1 1 0 k v1 2 7 2 2 0 k v
2、 变联 聚 乙烯 绝缘 电缆 的 生 产工 亩 中首 次 引儿 氩 弧 焊 生产 线 电缆 铝护 套的 生产 工 艺分 为四个 步骤 , 卷 筒 焊 接 、 压制 啦 坟和 成品 电缆 收 巍绕轴 拳 文通 过 AB AQUS软 件 对这 一过 程进 行有 限元 模 拟 , 分 析其 变彤 和 动 态应 力 从 数 值 分折 的 角度 验证 了铝 护套 力学性 能上 的 可靠性 ; 关键 词 : 交联 聚 乙烯 绝缘 电 力电缆 ; 艘纹 铝护 套 有 限,-L分 析 动 态应 力 : 氩弧 焊 中圈分 类号 : T M 2 4 7 文献标 识码 : A 工 程 背 景 篱 : 薹 言 莘 程
3、 是 完 全 一 致 山 东 电 缆 电 器 股 份 有 限公 司 在 6 4 l 1 0 k V 1 2 7 2 2 0 k V 交 联 聚 乙 烯 ( XL P E) 绝 缘 电力 电缆 制 造 中 引 进 了 氩 弧 焊 生 产 工 艺 。 , 这是世界上较先进 的生 产工 艺 该公 司使用 卷 板 铝 材 、 氩 弧 焊 焊 接 和 皱 纹 成 型 加 工 电 缆 护 套 工 艺 技 术 , 填 补 了这 方 面 的 国 内空 白 。 本 文 分 析 了 铝 护 套 的 力 学 性 能 , 对 生 产 工 艺 过 程 中 电缆 铝护 套 的 强度 和 变 形性 能进 行 了模 拟 计
4、算 和 分析 , 对 其 可 靠 性 进 行 了评 估 。 我 们 采 用 国 际上 最 先 进 的 有 限 元 分 析 软 件 AB AQUS, 对 铝 护 套 的 整 个 加 工 工 艺 过 程 进 行 了 模 拟 AB AQUS 软 件 有 两 条 主 干 , ( 1 )AB AQUS S t a n d a r d , 其 功 能 是 满 足 一 般静 、 动态问题 的线性 和非线 性分析 ; ( 2 ) ABA QUS E x p l i c i t , 其 功 能 是 采 用 显 示 算 法 求解动 态响应问题 , 在本 问题 中 , 除第一步卷 板 过 程 使用 AB AQUS
5、Ex p l i c i t外 , 其 余 的 焊接 、 压制 皱纹 和成 品 电缆 收线绕 轴等步 骤 均 使 用 AB AQUS s t a n d a r d。 本 文 的研 究 内容 为 铝 护 套 加 工 过 程 的模 拟 和 强度 分析 。 计 算 模 拟 的过 程 分 三步 进 行 : ( 1 )铝 板 卷成 管状 套筒 ; ( 2 )压 制皱 纹 ; ( 3 ) 成品 电缆绕在 电缆 盘上 后 , 危 险点的强 度校 收 稿 日期 : 1 9 9 8 1 1 1 8 作者简介 : 刘广橙( 1 9 7 6 一 ) , 男 , 山东 , 硕士研究生 2铝板 在 模具 内卷成 圆
6、管 一 块 铝 板 , 如 图 l以一 定 的 速 度 通 过 一 个 截 锥 筒 状 的模 具 , 截 锥 的 截 面 直 径 沿 铝 板 前 进 方 向逐 渐 减 小 , 铝 板 在 模 具 内 梭 强 迫 变 形而 卷成 管状 , 见图 2 。应用 AB AQUS E x p e c k对 这一 过程模拟 并分析 其力学性能 J 模具 内衬 由精细 的高分 子材料 组成 , 在加工 图 1铝板 进 人模具 示 意 图 过程 中 , 内村 和 铝 板 外 皮 之 间 的摩 擦 很 小 , 可 略不计 。所选铝材 为 9 9 9 的纯 铝 , 屈 服应 军 善 维普资讯 准标网 w w w
7、.z h u n b i a o .c o m 免费下载 1 9 9 9年 第 3期 No3 1999 电 线电 缆 E e c t r J c W i r e Ca b l e 1 9 9 9年 6月 J u n 1 9 9 9 力 取 3 0 MP a , 破 坏应 力 为 7 0 MP a : 图 2卷 筒 过 程 币 意 图 铝 板 由平 面 变 成 圆 筒 状 , 本 文 采 用 三 维 8结 点 缩 减 积 分 实 体 单 元 一C3 D8 R 模 拟 变 形前 后 的情 况 。考 虑 到套 筒 对 于 由 焊 缝 和 轴 线 决 定 的平 面 具 有 对 称 性 , 我 们 取
8、套 筒 的 一 半 进 行 分 析 。划 分 单 元 的 大 小 为 1 0 ml v l X1 0 ml v l X 4 1 T I r l l 。截 锥 模 具 在模 拟 过 程 中设 为 刚 性 体 , 由于 对 单 元 投 有 特 殊 要 求 , 采 用 三 维 4 结 点 刚性 单 元 R 3 D4 。 板 卷 成 圆筒 后 , 沿环 向形 成 压 应 力 , 最 大 的值 为 1 9 4 MP a 最 大 的 残余 ( Mi s e s ) 应 力 在 焊缝 处 , 为 2 0 1 MP a 。铝 板 卷 筒 过 程 的变 形 图 、 环 向 应 力 图 和 残 余 应 力 图 分
9、 别 如 图 3 图 5所 示 。 图 3卷筒过 程的 变形 图 图 4卷筒过 程 的环 向应 力图 图 5卷筒 过程 的残 余应 力 图 在 实 际 加 工 过 程 中 , 铝 板 被 卷 成 圆 管 状 后 , 用 焊 接 的方式 将 接 缝 对 接 起 来 。 在计 算模 拟时 , 用加约束的方法代替 焊点 , 材 料内会产 生 相 同 的力 学 效 果 。 然 而 , 实 际 焊 接 时会 引 人 温 度 载 荷 , 为 了 不让 电缆 受 伤 , 必 须迅 速 冷 - 36 却 。在 氩 弧焊 工 艺 中 , 由 于加 热 范 围 特 别 小 又 用 高速 氩气 流 冲 刷 焊 缝
10、, 加 速 冷 却 材 料 内 的温 度 场 会 很 快 消 失 , 由此 引 起 的 温 度 应 力 很 小 ( 作 者 已通 过 专 门计 算 加 以验 证 ) 另 外 , 氩 弧 焊 为 无 填 料 焊 接 , 保 证 了焊 缝 的 连 续 性 ; 高 速 氩 气 流 也 使 焊 缝 与 外 部 空 气 隔 离 , 防 止铝 在 高 温 下 被 氧 化 ; 所 以 一 般 不 会 存 在 焊接 缺 陷 3 套 管 压 制皱 纹 铝 板 卷 成 圆 筒 以 后 , 下 一 步 工 艺 就 是 压 制 皱 纹 。 压 制 皱 纹 的最 大 好 处在 于 : 增 加 了 铝 管 的 柔 度 和
11、 可 延 展 性 能 , 也 便 于 成 品 电 缆 绕 轴 模 拟 这 个 过 程 使 用 的 有 限 元 软 件 为 AB AQUS S t a n d a r d, 为 静 态 分 析 模 型 。 模 拟 时 , 先 用 实 体 单 元 C3 DS R( 1 0 ml v l X1 0 1 T i m 4 1 T I r l 1 ) 组 成 0 5 m 长 的 平 滑 直 管 , 然后 对奇数 层 ( 沿轴 向) 上 的结 点施 加径 向 位 移 载 荷 ( 向 内 0 0 0 3 5 m) , 从 而 得 到皱 纹 管 状 。 为 了限 制 刚 体位 移 , 对 套 管 的 一 端 施
12、 加 固 支 约 束 , 另 一 端 自由 , 这 样 更 接 近 于 真 实 的 加 工工 艺 。 由 于 每 个 单 元 的 几 何 形 状 和所 受 载 荷 是 相 同 的 , 所 以 沿 套 管 轴 向 的 应 力 分 布 应 该 是 均 匀 的 。 但 是 , 由于模 型 中局 部 边 界 条 件 的影 响 , 套 管 两 端 的应 力 与 中部 应 力 有所 不 同 。 然 而 , 考 虑 到 实 际 长 管 线 的情 况 和 加 工 过 程 中 套 管 不 断 的 前 进 , 可 以 忽 略 端 部 局 部 边 界 条 件 的影 响 , 取 套 管 中部 的应 力 为 最 终 结
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