• ISSN 0258-2724
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温度影响下碳纤维导线分层力学特性有限元分析

祝贺 袁鸣 郭鑫

祝贺, 袁鸣, 郭鑫. 温度影响下碳纤维导线分层力学特性有限元分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210686
引用本文: 祝贺, 袁鸣, 郭鑫. 温度影响下碳纤维导线分层力学特性有限元分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210686
ZHU He, YUAN Ming, GUO Xin. Finite element analysis on layered mechanical properties of carbon fiber wires under influence of temperature[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210686
Citation: ZHU He, YUAN Ming, GUO Xin. Finite element analysis on layered mechanical properties of carbon fiber wires under influence of temperature[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210686

温度影响下碳纤维导线分层力学特性有限元分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210686
基金项目: 吉林省科技厅项目(20230203136SF)
详细信息
    作者简介:

    祝贺(1978—),男,教授,博士,研究方向为输电线路运行维护和防灾减灾工程, E-mail:zhuhe1215@163.com

  • 中图分类号: TM726.3

Finite element analysis on layered mechanical properties of carbon fiber wires under influence of temperature

  • 摘要:

    为探明温度对碳纤维导线分层力学特性的影响,考虑拐点温度,利用电热模块施加不同电压得到多种温度,并计算分析不同温度和拉断力条件下碳纤维导线的各层、各股和各截面应力应变分布. 研究结果表明:拐点温度后,碳芯受到正向应力但铝绞线承受负向应力,使碳纤维导线失去了承担拉断力的作用;各股线的最大应力和应变均出现在线的两端,倒角位置的应力和应变结果略大于对应股线主体上的应力;碳纤维导线各个截面的最大应力均为正值,均出现在碳芯上,其靠近外力施加端截面的最大应力出现突然下降的现象;碳纤维导线更适用于各种温度条件,但应注意导线两端夹持位置和梯形截面中小截面的力学特性变化.

     

  • 图 1  拐点温度和分层应力应变求解过程

    Figure 1.  Process of solving critical temperature and layered stress and strain

    图 2  不同控制气象条件下的拐点张力和拐点温度

    Figure 2.  Critical tensions and critical temperatures under different meteorological conditions

    图 3  弦割法计算碳纤维导线分层应力应变流程

    Figure 3.  Flowchart of layered stress and strain calculation with secant method for carbon fiber wires

    图 4  碳纤维导线建模流程

    Figure 4.  Modeling process for carbon fiber wires

    图 5  碳纤维导线实体模型网格划分

    Figure 5.  Solid model meshing of carbon fiber wires

    图 6  碳纤维导线温度分布

    Figure 6.  Temperature distribution of carbon fiber wires

    图 7  碳纤维导线与钢芯铝绞线力学特性对比

    Figure 7.  Comparison of mechanical properties between carbon fiber wires and steel-cored aluminum strands

    图 8  碳纤维导线各层力学特性

    Figure 8.  Mechanical properties of each layer of carbon fiber wires

    图 9  碳纤维导线单股模型结果

    Figure 9.  Results of single strand model of carbon fiber wires

    图 10  碳纤维导线截面分布

    Figure 10.  Cross-section distribution of carbon fiber wires

    图 11  碳纤维导线截面内部应力

    Figure 11.  Internal stress at cross sections of carbon fiber wires

    表  1  JRLX/F1B-240/30碳纤维导线的参数

    Table  1.   Parameters of carbon fiber wire JRLX/F1B-240/30

    参数 取值 参数 取值
    标称总截面积/mm2 246.4 导线弹性模量/(N·mm−2 117
    标称铝截面积/mm2 218.4 碳芯弹性模量/(N·mm−2 65
    标称环形铝
    面积/mm2
    234.8 导线线膨胀系数
    /(×10−6 ℃)
    12.9
    导线计算外径/mm 18.29 碳芯线膨胀系数/
    (×10−6 ℃)
    1.6
    碳芯直径/mm 5.97 导线结构重量/(kg·km−1 714.1
    内层铝线根数/根 6 导线额定拉断力/kN 73.2
    外层铝线根数/根 10
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    表  2  ANSYS仿真和MATLAB求解温度及相对误差

    Table  2.   Temperature results and relative errors from ANSYS and MATLAB

    电压/
    V
    ANSYS
    温度/℃
    MATLAB 求解
    温度/℃
    相对
    误差/%
    0.00576 40.38 39.26 2.78
    0.01070 80.32 80.89 −0.71
    0.01430 120.92 120.82 0.08
    0.01689 160.78 159.92 0.53
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    表  3  ANSYS和MATLAB最大应力数据

    Table  3.   Stress data from ANSYS and MATLAB

    工况 ANSYS/
    MPa
    MATLAB/
    MPa
    相对误差/
    %
    40℃,15%RRTS 149.14 129.66 13.06
    80℃,15%RRTS 591.81 529.90 10.46
    120℃,15%RRTS 824.53 778.73 5.55
    160℃,15%RRTS 981.04 941.99 3.98
    40℃,25%RRTS 222.45 187.34 15.78
    80℃,25%RRTS 664.81 585.80 11.88
    120℃,25%RRTS 897.53 851.28 5.15
    160℃,25%RRTS 1054.00 1040.44 1.29
    40℃,35%RRTS 297.14 263.71 11.25
    80℃,35%RRTS 737.81 667.56 9.52
    120℃,35%RRTS 970.53 946.98 2.43
    160℃,35%RTS 1127.00 1119.38 0.68
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    表  4  ANSYS和MATLAB最大应变数据

    Table  4.   Strain data from ANSYS and MATLAB

    工况 ANSYS MATLAB 相对误差/%
    40℃,15%RRTS 1.0493 0.8869 15.48
    80℃,15%RRTS 2.4572 2.2230 9.53
    120℃,15%RRTS 3.4129 3.2251 5.50
    160℃,15%RRTS 3.9450 3.8106 3.41
    40℃,25%RRTS 1.7933 1.4836 17.27
    80℃,25%RRTS 2.7760 2.5288 8.90
    120℃,25%RRTS 3.7317 3.5314 5.37
    160℃,25%RRTS 4.2659 4.1133 3.58
    40℃,35%RRTS 2.5374 2.2045 13.12
    80℃,35%RRTS 3.0948 2.9110 5.94
    120℃,35%RRTS 4.0505 3.9642 2.13
    160℃,35%RRTS 4.5869 4.4916 2.08
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    表  5  LGJ-240/30型钢芯铝绞线相关参数

    Table  5.   Parameter of steel-cored aluminum strand LGJ-240/30

    材料 根数/根,直径/mm 计算截面积/mm2 弹性模量/GPa 泊松比 外径/mm 芯铝绞线温度膨胀系数/(×10−6 ℃)
    24,3.60244.29600.3121.601.96
    7,2.4031.672060.28
    合计275.96
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    表  6  不同温度及外力下碳纤维导线各层内力占比

    Table  6.   Proportion of internal forces in each layer of carbon fiber wires at different temperatures %

    外力 层数 40 ℃ 80 ℃ 120 ℃ 160 ℃
    15%RRTS 外层铝 39.70 −26.78 −61.42 −84.49
    内层铝 23.32 −18.80 −40.83 −55.55
    碳芯 36.98 145.58 202.26 240.04
    25%RRTS 外层铝 41.91 2.09 −18.45 −32.41
    内层铝 24.75 −0.49 −13.64 −22.45
    碳芯 33.34 98.40 132.09 154.86
    35%RRTS 外层铝 42.86 14.43 −0.35 −10.17
    内层铝 25.36 7.34 −2.05 −8.32
    碳芯 31.78 78.22 102.40 118.49
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-24
  • 修回日期:  2021-12-30
  • 网络出版日期:  2024-03-16

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