萬 佳，周正亮，劉曉靜，盧 敏

（1.南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司，南京 210012；2.南京航空航天大學(xué)，南京 211103）

0 前言

絕緣筒是開關(guān)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，在城市電網(wǎng)、配電系統(tǒng)供電以及航空航天、船舶、化學(xué)工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用［1,2］。其使用工況條件較為嚴(yán)苛，需同時承受內(nèi)部氣壓和直流脈沖電壓的作用，因此要求材料具有機械強度高、承壓性能好、絕緣等綜合特性［3,4］。玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料憑借其良好的力學(xué)、電絕緣、耐高溫、耐疲勞等綜合優(yōu)異性能和較低的工程造價，在越來越多的絕緣系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中獲得了應(yīng)用［5,6］。有限元分析軟件作為一套功能強大的工程模擬軟件，能夠解決許多復(fù)雜的非線性問題，其豐富的單元庫、材料模型庫也為分析人員提供了便捷的分析條件［7-10］。

某型絕緣筒是一種典型的筒狀含法蘭結(jié)構(gòu)，與其配套的輔件如金屬封頭、緊固件等構(gòu)成封閉絕緣系統(tǒng)。在工作過程中，絕緣筒需承受高壓氣體的沖刷，為保證系統(tǒng)的安全運行，絕緣筒需滿足結(jié)構(gòu)剛、強度高的要求，以保證產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)安全及絕緣作用。因此準(zhǔn)確地模擬、了解結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓下的應(yīng)力、變形分布及其變化規(guī)律，對提高復(fù)合材料絕緣筒產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。利用有限元仿真分析軟件優(yōu)越的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，可將該軟件與玻璃鋼材料物理參數(shù)有機結(jié)合，模擬承受內(nèi)壓情況下絕緣構(gòu)件主體及裝配件的應(yīng)力和位移分布，預(yù)測破壞模式和破壞位置，為復(fù)合材料絕緣筒方案設(shè)計提供參考。

本文針對該大型絕緣筒構(gòu)件承受內(nèi)壓≥1.5 MPa的使用要求，從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面入手，利用有限元分析對玻璃纖維增強復(fù)合材料絕緣筒的宏觀力學(xué)行為進(jìn)行了研究。建立了復(fù)合材料絕緣筒、金屬封頭及緊固件的等尺寸結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了絕緣筒在施加內(nèi)壓載荷后各承載件的有限元數(shù)值仿真模型，完成了施加載荷過程的有限元仿真，并對比驗證了水壓試驗后產(chǎn)品的承壓情況，研究結(jié)果對于玻璃纖維增強復(fù)合材料零件在承壓系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 仿真模型

1.1 建模方案

某大型絕緣筒采用的材料為玻璃纖維增強復(fù)合材料（筒壁）和Q345鋼（上下封頭），以及10.8級的高強度螺栓緊固件，絕緣筒筒壁采用真空灌注工藝制備，加熱固化成型，同時，該絕緣筒為高氣壓容器，因此須具有較高的強度和密封要求。在實際工程中，絕緣筒內(nèi)部承受1.5 MPa的內(nèi)壓載荷。因此，為了確保絕緣筒整體的剛度和強度要求，對絕緣筒整體結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型并進(jìn)行受力分析具有重要意義。

根據(jù)初步設(shè)計圖紙，建立絕緣筒試驗結(jié)構(gòu)等比例模型，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，檢驗是否符合預(yù)期的設(shè)計要求。因此，本文提出以下強度校核方法：（1）按實際尺寸對絕緣筒及試驗輔件等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行建模和裝配；（2）對絕緣筒內(nèi)部施加額定的內(nèi)壓載荷2.5 MPa（設(shè)計1.67倍的安全系數(shù)），并進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析；（3）分析各結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布狀況，要求絕緣筒及螺栓螺母緊固件具有2倍的安全系數(shù)；（4）在仿真分析過程中，考慮結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量影響。

1.2 試件等尺寸結(jié)構(gòu)模型

首先，建立如圖1所示的幾何模型，幾何模型包括絕緣筒筒壁、連接法蘭、上下封頭以及螺栓緊固件等結(jié)構(gòu)，2種模型幾何尺度相同。出于有限元分析的便利性，本文結(jié)構(gòu)中省略了進(jìn)水口等結(jié)構(gòu)，目的在于測試主要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力與變形狀況，其中，絕緣筒邊緣設(shè)計為圓角過渡，與成型后試件一致。為了模擬成型后的絕緣筒結(jié)構(gòu)，采用如圖1a所示的結(jié)構(gòu)模擬成型后的絕緣筒，可忽略其工作過程中的應(yīng)力誤差。

圖1 試件結(jié)構(gòu)建模

1.3 參數(shù)設(shè)計

對于仿真建模來說，此處可以利用復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)來建立玻璃纖維復(fù)合材料的本構(gòu)模型，即從細(xì)觀力學(xué)入手設(shè)置參數(shù)，最后結(jié)合宏觀力學(xué)的方法來進(jìn)行仿真模擬分析。復(fù)合材料工程彈性常數(shù)共有9個，即該材料的3個方向上的彈性模量（E1，E2，E3）、3個方向上的泊松比（μ12，μ13，μ23）和3個方向上的剪切模量（G12，G13，G23）。基于玻璃纖維復(fù)合材料與鋼材料特性，根據(jù)實測玻璃鋼物理參數(shù)以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 706-2008《熱軋型鋼》，以上部件的相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)見下表1、2所示。

表1 鋼材料相關(guān)系數(shù)

表2 真空灌注玻璃鋼復(fù)合材料相關(guān)系數(shù) MPa

1.4 網(wǎng)格劃分、邊界及載荷條件

使用有限元分析軟件對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中上下封頭模型網(wǎng)格數(shù)為175 917個，單元類型為C3D4；筒身部分六面體網(wǎng)格總數(shù)為71 040個，單元類型為C3D20R；螺母網(wǎng)格總數(shù)108個，單元類型為C3D4R；螺栓六面體網(wǎng)格總數(shù)為5 640個，單元類型為C3D8R，各部件網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。復(fù)合材料鋪層角度按照0°，±45°沿環(huán)向交替形式逐層鋪放鋪設(shè)，圖3為鋪層等效示意圖。

圖2 有限元網(wǎng)格示意圖

圖3 鋪層等效示意圖

根據(jù)絕緣筒初步設(shè)計圖紙，建立模型施加內(nèi)壓和邊界條件，如圖4所示。對絕緣筒內(nèi)壁及上下封頭的內(nèi)部施加2.5 MPa的壓強，試驗件下部設(shè)置約束邊界條件為模擬地面。

圖4 絕緣筒施加內(nèi)壓等載荷以及邊界約束

2 仿真與計算結(jié)果

2.1 應(yīng)力分布

在有限元分析軟件中，按實際尺寸建模、設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件后，對絕緣筒整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，圖5所示為絕緣筒施加內(nèi)壓載荷后，整體及各承載件的米塞斯應(yīng)力分布狀況。由圖可知，內(nèi)壓載荷作用下上下封頭、絕緣筒以及緊固螺栓等各部件并未出現(xiàn)較大應(yīng)力和屈服現(xiàn)象，其中，螺栓應(yīng)力最大點為“網(wǎng)格奇異”造成的應(yīng)力集中點，云圖中的綠色為上封頭正常的應(yīng)力，不會發(fā)生因材料失效造成的結(jié)構(gòu)破壞。

圖5 整體及各承載件米塞斯應(yīng)力分布狀況

2.2 位移分布

圖6所示為絕緣筒僅施加內(nèi)壓下螺栓的位移分布狀況，可以看出在內(nèi)壓及重力載荷下螺栓的位移≤1.370 mm。

圖6 施加內(nèi)壓下螺栓的位移分布狀況

2.3 結(jié)果分析

將以上仿真分析結(jié)果歸納整理后得到表3，其中，玻璃纖維增強復(fù)合材料按照抗拉強度為320 MPa來進(jìn)行校核。

表3 絕緣筒、封頭及螺栓緊固件應(yīng)力分布

分析結(jié)果可以得出：絕緣筒應(yīng)力分布較為合理，絕緣筒和緊固件分別滿足3倍和2倍的安全系數(shù)。其中，應(yīng)力分布上部封頭較大，但小于其屈服強度，未發(fā)生塑性變形；位移分布上部螺栓最大，但在實際試驗時，螺栓受預(yù)緊力收緊，并且有彈性橡膠墊圈，因此螺栓形變的位移是允許的，即不會發(fā)生壓力的泄漏下降。仿真結(jié)果表明，上述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、金屬封頭以及緊固件的受力與形變符合預(yù)定要求。綜上所述，此結(jié)構(gòu)設(shè)計可以作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。

3 絕緣筒壓力實驗驗證

在實際工程中，絕緣筒受到內(nèi)部壓力的作用，易造成絕緣筒結(jié)構(gòu)破壞及失效的工況，因此，產(chǎn)品在出廠前需進(jìn)行水壓試驗，以檢驗其結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。為驗證該型復(fù)合材料絕緣筒的承載內(nèi)壓能力以及有限元仿真結(jié)果的合理性，制備了全尺寸絕緣筒試件，并根據(jù)客戶要求設(shè)計了水壓試驗方案，檢測絕緣筒結(jié)構(gòu)在1.5 MPa水壓下承受內(nèi)壓的能力是否滿足設(shè)計要求。

3.1 玻璃纖維增強復(fù)合材料絕緣筒的制備

3.1.1 原材料

玻璃纖維織物：0°±45°，單位面積質(zhì)量752.8 g/cm3，泰山玻璃纖維有限公司生產(chǎn)；

環(huán)氧樹脂體系：LT-5078A/LT-5078B-2，惠利新材料科技（上海）有限公司。

3.1.2 儀器

水壓試驗機：QS-2D型，適用于高壓氣體系統(tǒng)和儀器的耐壓、靜壓、爆破性試驗測試，無錫昌華機電制造有限公司生產(chǎn)。

3.1.3 方法

本實驗復(fù)合材料絕緣筒采用真空灌注工藝制備，樹脂與固化劑配比為m樹脂:m固化劑=100∶40，壓強為-0.095 ~ -0.085 MPa，固化工藝為80 ℃×4 h或100 ℃×3 h，圖7為制備得到的復(fù)合材料絕緣筒試件。

圖7 復(fù)合材料絕緣筒

3.2 方案

在水壓試驗中，上下封頭和筒體需承受1.5 MPa的內(nèi)壓，內(nèi)壓會引起較大的環(huán)向應(yīng)力，同時筒軸向也會承受拉應(yīng)力作用，若此過程中結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)變形或破壞，則該絕緣筒產(chǎn)品滿足實際工程中的強度要求。因此，根據(jù)客戶要求制定了如下試驗方案：

（1）水壓機準(zhǔn)備狀態(tài)檢查：查看水、電、氣是否正常，校驗壓力表是否合格；

（2）將“O”型密封圈放入密封槽內(nèi)實現(xiàn)密封；

（3）按圖紙要求，將絕緣筒各連接部位的配件（上下封頭、緊固螺栓等）裝配齊全、緊固妥當(dāng)；

（4）將排水閥打開，先將絕緣筒中充滿液體以排出滯留在筒內(nèi)的氣體，直至中間高度最大的出水閥有水冒出，證明氣體已排凈，關(guān)閉排水閥；

（5）從常壓開始，每10 min升壓0.5 MPa，直至1.5 MPa（設(shè)計壓力值）；

（6）保壓時間≥30 min無泄漏后，將壓力降至1.0 MPa保持時間≥4 h；

（7）水壓試驗過程中，絕緣筒無滲漏、無可見變形、無異常響聲以及產(chǎn)品表面無裂紋時即為產(chǎn)品合格。

圖8所示為絕緣筒水壓試驗過程照片。

圖8 絕緣筒水壓試驗

3.3 結(jié)果分析

通過上述方法檢驗，絕緣筒產(chǎn)品在1.5 MPa內(nèi)壓下保壓30 min無泄漏，壓力降為1.0 MPa后能夠保持4 h，且結(jié)構(gòu)無損壞，無可見變形、裂紋以及異常響聲，說明在內(nèi)壓作用下絕緣筒能夠滿足實際工程中的強度要求，并且具有較好的穩(wěn)定性，經(jīng)綜合評判，成品試驗達(dá)標(biāo)。通過有限元數(shù)值模擬和試驗效果的對比分析可知，有限元數(shù)值模擬結(jié)果與實際試驗效果一致，絕緣筒結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。

4 結(jié)論

本文使用有限元數(shù)值仿真方法對某大型玻璃纖維復(fù)合材料絕緣筒內(nèi)壓工況下應(yīng)力分布及變形情況進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，絕緣筒應(yīng)力分布較為合理，絕緣筒和緊固件分別滿足3倍和2倍的安全系數(shù)，受力與形變符合預(yù)定要求。經(jīng)水壓試驗驗證，絕緣筒產(chǎn)品在1.5 MPa內(nèi)壓下結(jié)構(gòu)無損壞，滿足承受內(nèi)壓1.5 MPa的要求，且整體具有較好的穩(wěn)定性。通過數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，驗證了仿真結(jié)果的合理性，可以作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。