專利名稱：一種復合材料電力橫擔及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復合材料電力橫擔及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，屬輸電桿配套結(jié)構(gòu)件的 設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電力設(shè)施領(lǐng)域，輸電線路用橫擔是輸電桿重要的配套結(jié)構(gòu)件，橫擔的一端與輸 電桿主體相連接，另一端掛輸電導線。傳統(tǒng)的橫擔通常采用鐵橫擔和木橫擔，鐵橫擔和木橫 擔在長期運行中暴露出各種各樣的問題，普遍存在質(zhì)量重、易腐爛、銹蝕或開裂，耐久性、阻 燃性及絕緣性能差，強度底、使用壽命較短，施工運輸和運行維護困難，即耗費材料又使操 作人員的勞動強度增大；還會出現(xiàn)各種安全隱患。為了解決現(xiàn)有的橫擔絕緣性能差，使用 壽命短的缺陷，已有用復合材料加工而成的玻璃鋼橫擔，該橫擔利用的纖維增強樹脂基復 合材料(以下簡稱FRP)具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及耐疲勞性能、耐久性能和電絕緣性 能好、性能可設(shè)計等特點，用這種玻璃鋼橫擔替代鐵橫擔和木橫擔，提高了橫擔的電絕緣性 能，解決了鐵橫擔與木橫擔出現(xiàn)的各種缺陷；但是由于玻璃鋼橫擔仍延用了實心結(jié)構(gòu)，即整 個橫擔全用樹脂基增強型玻璃纖維制成，其重量雖相對于鐵橫擔的重量稍有減少，但重量 優(yōu)勢不大；同時，橫擔結(jié)構(gòu)層通過纏繞方式實現(xiàn)，比鐵橫擔和木橫擔的材料成本增加很多， 在滿足承受荷載作用下保證剛度要求以及具有良好絕緣性能要求的前題下，采用樹脂基增 強型玻璃纖維制作實心的電力橫擔，在滿足承受荷載作用下的安全重量與傳統(tǒng)橫擔的安全 重量相差不明顯，同時成本高升，無法推廣實施。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種可滿足承受荷載 作用下安全重量降低、絕緣性能良好、結(jié)構(gòu)的剛度提高，并可大幅降低制作成本的復合材料 電力橫擔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種復合材料電力橫擔，為圓柱形 實心結(jié)構(gòu)，其特點為該圓柱形實心結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外分設(shè)為三層，內(nèi)芯層、中間層和外層；其 中，中間層為一拉擠成型的復合材料空心管，以該復合材料空心管為基礎(chǔ)，在該空心管的管 芯內(nèi)注滿發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在該空心管的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復 合材料構(gòu)成所述外層。上述復合材料空心管的內(nèi)徑為70-80mm ；外徑為IOOmm ；其厚度為10_15mm。上述的發(fā)泡聚氨酯泡沫材料為機器發(fā)泡料。上述的玻璃纖維樹脂基復合材料由8-10層玻璃纖維布與增強熱固性樹脂基浸漬 后纏繞、固化成型；其中，增強熱固性樹脂由乙烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促 進劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種復合材料電力橫擔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包 括步驟如下
1)將實心的圓柱狀橫擔結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層，由內(nèi)至外分別為內(nèi)芯層、中間層和外層； 其中，中間層為一拉擠成型的復合材料空心管；以該復合材料空心管作基礎(chǔ)，在管芯內(nèi)注滿 發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在管芯的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料構(gòu)成所 述橫擔的外層；2)確定步驟1)外層所用的樹脂基原料配比和該外層的纏繞厚度；3)將步驟1)所述復合材料空心管的內(nèi)徑d與外徑D值，代入公式①得到橫擔的抗
彎截面系數(shù)W = ^[1 - φ4]①取實際線路中使用工況的設(shè)計載荷數(shù)值F與所述橫擔的力臂長度L代入公式②， 獲取該橫擔所能承受的最大彎矩M ；M = FXL ②4)取步驟3)使用工況時的最大彎矩M和所述橫擔的抗彎截面系數(shù)W，代入公式 ③，獲取使用工況時所述橫擔能夠承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值ο ；σ = M/ff ③5)將步驟4)獲取的最大應(yīng)力值σ與所述復合材料空心管的許用應(yīng)力值的相比， 得到所述橫擔在使用工況時的安全系數(shù)值；6)將步驟5)得到的安全系數(shù)值與設(shè)計安全系數(shù)值1. 8進行比較，以得到安全系數(shù) 與設(shè)計要求的安全系數(shù)之間的差距；7)制備纏繞成型復合材料試樣，完成測試，得到該試樣的基本性能指標以確定所 述外層的纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料的纏繞方式及厚度；其中纏繞方式以纏繞方向角 90° /0° /54° /90° /0° /90°順序纏繞，該纏繞層的厚度值為5mm 7mm ；8)將步驟7)所述試樣的基本性能指標中的彈性常數(shù)及泊松比性能參 數(shù)、纏繞方向角的順序以及纏繞厚度值導入有限元軟件ANSYS，由ANSYS軟件的 Preprocessor-modeling 命令進行實體建模，Preprocessor-meshing 劃分網(wǎng)格、 Preprocessor-solution—define loads 施力口載荷及 Preprocessor-solution-solve-curr ent LS 模擬計算，最終分別由 General postprocessor-plotresults-contourplot-noda 1 solution-stress-von Mises stress 禾口 General postprocessor-plotresults-contou rplot-DOF solution-displacement vector sum命令得到給橫擔結(jié)構(gòu)承受載荷作用下的 Mises等效應(yīng)力值及撓度值；9)判斷步驟8)得到的橫擔結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計安全系數(shù)值的要求，即正常運行工 況下橫擔頂端的撓度小于整體橫擔長度的15%。，大風工況下所述橫擔的強度應(yīng)大于設(shè)計安 全系數(shù)值1. 8 ；10)若滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計，進入橫擔的加工程序；若 不滿足設(shè)計要求，重復步驟7) 步驟9)，調(diào)整所述纏繞層的厚度及鋪層方向角的優(yōu)化，直 至所述橫擔的安全系數(shù)值滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計。上述步驟1)中復合材料空心管的內(nèi)徑為70-80mm，外徑為100mm，厚度為10_15mm ； 所用的玻璃纖維樹脂基復合材料由8-10層玻璃纖維布與樹脂基復合材料浸漬后纏繞、固 化成型；其中，所述增強熱固性樹脂由乙烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進劑 0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。
上述步驟6)中所述試樣的基本性能指標為在室溫16°C、相對濕度40%條件下， 纏繞用的玻璃纖維布拉伸彈性模量為40. 9GPa ；彎曲模量為11. 2GPa ；剪切模量5. 2GPa ；泊 松比為0. 33 ；所述發(fā)泡聚氨酯泡沫層的彈性模量為8. 41GPa ；泊松比為0. 36。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果如下1)本發(fā)明將傳統(tǒng)的復合材料 橫擔設(shè)計為以一拉擠成型的空心管為基礎(chǔ)，在該管芯中間填充滿密度小、價格低廉的聚胺 酯發(fā)泡泡沫層，在該空心管的外表面由玻璃纖維布與樹脂復合體系纏繞成一定的厚度而成 型，拉擠成型的空心管及纏繞成型層的彈性模量穩(wěn)定，強度高，可有效承受工程線路中的各 種載荷，以滿足橫擔整體的強度要求。2)在滿足設(shè)計工況條件下降低了橫擔的結(jié)構(gòu)重量， 同時也能滿足該橫擔對剛度的要求；有效改善了傳統(tǒng)橫擔的重量重、絕緣性差的缺陷；以 鋼材料橫擔進行對比，鋼材料橫擔的比重為7. 8g/cm3，而玻璃鋼復合材料的比重僅為1. 9 2.0g/cm3。3)復合材料橫擔的截面抗彎性能指標應(yīng)用于實際線路上可有效提高其安全裕 度，方便安裝并可降低成本。


圖1為本發(fā)明橫擔整體結(jié)構(gòu)的剖示2為圖IA-A面截面示意圖
具體實施例方式本發(fā)明的設(shè)計方法，是將現(xiàn)有的實心復合材料橫擔設(shè)計成中間填充發(fā)泡聚氨酯泡 沫材料的復合材料結(jié)構(gòu)體；即橫擔整體由內(nèi)至外分設(shè)為三層，內(nèi)芯層、中間層與外層；該中 間層為一拉擠成型的復合材料空心管；以該復合材料空心管為基礎(chǔ)，其管芯內(nèi)充滿聚氨酯 發(fā)泡材料構(gòu)成其內(nèi)芯層，外表層纏繞有玻璃纖維樹脂基復合材料，固化成一體后，成型為復 合材料橫擔。其中，所用的復合材料空心管為采用傳統(tǒng)工藝拉擠成型的玻璃纖維樹脂基復合材 料管，該復合材料空心管的內(nèi)徑為70-80mm ；外徑為IOOmm ；其厚度為10_15mm。所用的聚氨酯發(fā)泡材料為市售的機器發(fā)泡料；所用的玻璃纖維樹脂基復合材料由 8-10層玻璃纖維布分別經(jīng)過盛有增強熱固性樹脂的膠槽浸漬后，纏繞至復合材料空心管的 外表面且固化而成；該增強熱固性樹脂由乙烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進 劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。本發(fā)明的設(shè)計方法利用了有限元軟件ANSYS選擇單元類型為實體，定義材料屬性 為各向異性的復合材料，導入的數(shù)據(jù)有經(jīng)測試得到相關(guān)材料的基本性能指標，如纏繞層與 發(fā)泡聚胺酯泡沫層的彈性常數(shù)及泊松比性能參數(shù)，并根據(jù)軟件的操作順序進行建模、劃分 網(wǎng)格、在橫擔端頭管導線的金具上施加載荷、模擬計算；通過調(diào)整纏繞層的厚度以及纏繞方 向角的優(yōu)化設(shè)計，使其滿足使用工況下的橫擔安全系數(shù)及撓度安全指標的要求；完成橫擔 結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本發(fā)明上述橫擔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括步驟如下1)將實心的圓柱狀的橫擔結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)至外分別為內(nèi)芯層、中間層 和外層；其中，中間層為一拉擠成型的復合材料空心管；以該復合材料空心管作基礎(chǔ)，在管 芯內(nèi)注滿發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在管芯的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料構(gòu)成所述橫擔的外層；2)確定步驟1)外層所用的樹脂基原料及混合比和該外層的纏繞厚度；3)通過步驟1)所述復合材料空心管的內(nèi)徑d與外徑D值，代入公式①得到橫擔的
抗彎截面系數(shù)W = - φ4]①取實際線路中使用工況的設(shè)計載荷數(shù)值F與所述橫擔的力臂長度L代入公式②， 獲取該橫擔所能承受的最大彎矩M ；M = FXL ②4)取步驟3)使用工況時的最大彎矩M和所述橫擔的抗彎截面系數(shù)W，代入公式③，獲取使用工況時所述橫擔承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值σ ；σ = M/ff ③橫擔能承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值σ ；5)將步驟4)獲取的最大應(yīng)力值σ與所述復合材料空心管的許用應(yīng)力值的相比， 得到所述橫擔在使用工況時的安全系數(shù)值；6)將步驟5)得到的安全系數(shù)值與設(shè)計安全系數(shù)值1. 8進行比較，以得到安全系數(shù) 與設(shè)計要求的安全系數(shù)之間的差距；7)制備纏繞成型復合材料試樣，完成測試，得到該試樣的基本性能指標以確定所 述外層的纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料的纏繞方式及厚度；其中纏繞方式以纏繞方向角 90° /0° /54° /90° /0° /90°順序纏繞，該纏繞層的厚度值為5mm 7mm ；8)將步驟7)所述試樣的基本性能指標中的彈性常數(shù)及泊松比性能參數(shù)、纏繞方 向角的順序以及纏繞厚度值導入有限元軟件ANSYS，根據(jù)軟件的操作順序進行實體建模，劃 分網(wǎng)格、施加載荷及模擬計算，確定所述試樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置；9)判斷步驟8)得到的試樣結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計安全系數(shù)值的要求，即正常運行工 況下橫擔頂端的撓度小于整體橫擔長度的15%。，大風工況下所述橫擔的強度應(yīng)大于設(shè)計安 全系數(shù)值1. 8 ；10)若滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計，進入橫擔的加工程序；若 不滿足設(shè)計要求，重復步驟7) 步驟9)，調(diào)整所述纏繞層的厚度及鋪層方向角的優(yōu)化，直 至所述橫擔的安全系數(shù)值滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計。為提高橫擔的電性能，承載結(jié)構(gòu)采用強度高的玻璃纖維復合材料空心管，以及在 該空心管的內(nèi)部填充密度小的發(fā)泡料的結(jié)構(gòu)形式，外纏繞層選用玻璃纖維布與乙烯基樹脂 復合體系，制備材料試樣以得到材料基本性能；具體操作為測試設(shè)備選用通用的拉伸試 驗機，測試標準采用GB1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法、GB/T1448-2005纖維增 強塑料壓縮性能試驗方法、GB1449-2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法、GB1450. 1-2005 纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法、GB1450. 2-2005纖維增強塑料沖壓式剪切強度試驗 方法；測試出的基本性能指標為在室溫16°C、相對濕度40%條件下，纏繞用的玻璃纖維布 拉伸彈性模量為40. 9Gpa，彎曲模量為11. 2Gpa，剪切模量5. 2Gpa，泊松比為0. 33 ；管芯內(nèi)填 充的發(fā)泡聚氨酯泡沫層的彈性模量為8. 41GPa ；泊松比為0. 36。利用該設(shè)計方法設(shè)計完成的復合材料橫擔，制造工藝完全可以利用現(xiàn)有的工藝方 法，不用另加設(shè)備或改變工藝。
實例1 如圖1、圖2所示，本發(fā)明的復合材料橫擔結(jié)構(gòu)由纏繞結(jié)構(gòu)層1，拉擠成型的復合材 料空心管2，發(fā)泡聚氨酯泡沫材料填充層3 ；其中，纏繞結(jié)構(gòu)層1由成熟的纏繞成型工藝成 型；玻璃纖維布鋪設(shè)有9層，每兩層玻璃纖維布之間該橫擔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與撓度是否可滿足 使用工況時的要求，可通過加厚纏繞結(jié)構(gòu)層1的厚度來決定。具體操作為1)將呈圓柱狀的橫擔結(jié)構(gòu)由徑向的內(nèi)至外設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)芯、中間層 及外層；該中間層為一拉擠成型的復合材料空心管，以該復合材料空心管為基礎(chǔ)，在該空心 管管芯內(nèi)充滿有聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在該空心管外表面上纏繞有玻璃纖維樹脂 復合層構(gòu)成其外層；2)確定步驟1)外層所用的樹脂基原料的配比和該外層的纏繞厚度；其中，樹脂基 原料由乙烯基酯樹脂100份，固化劑3份，促進劑1. 5份，防老化劑3份，色漿0. 2份混合而 成；外層纏繞的厚度為5mm ；3)步驟1)選用的復合材料空心管，其內(nèi)徑d為70mm;外徑D為100mm;將內(nèi)徑d 與外徑D代入公式①，得到橫擔的抗彎截面系數(shù)W為0. 9 X 10-4 ；w =①取實際線路中使用工況的設(shè)計載荷數(shù)值F = 18100N與所述橫擔的力臂長度L = 1. 3m代入公式②，獲取該橫擔所能承受的最大彎矩M為23530N · M ；M = FXL = 18100X 1. 3 = 23530N · M (2)4)將步驟3)使用工況時的最大彎矩M值和該橫擔的抗彎截面系數(shù)W值，代入公式 ③，獲取使用工況時所述橫擔承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值σ =261MPa;σ = M/ff③5)取所述復合材料空心管的許用應(yīng)力值421MPa與步驟4)獲取的最大應(yīng)力值 σ 26IMPa的比值，得到所述橫擔在使用工況時的安全系數(shù)值為1. 6 ；6)將步驟5)得到的安全系數(shù)值1.6與設(shè)計安全系數(shù)值1.8進行比較，該值小于 1. 8但接近設(shè)計安全系數(shù)；7)制備纏繞成型試樣，完成測試，得到該試樣的基本性能指標；為滿足設(shè)計安全 系數(shù)要求，結(jié)合試樣的測試結(jié)果以確定該橫擔外層的纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料的纏繞 方式及厚度，其中纏繞方式以纏繞方向角90° /0° /54° /90° /0° /90°順序纏繞；8)將步驟6)所述試樣的基本性能指標中的彈性常數(shù)及泊松比性能參數(shù)、纏繞方 向角的順序以及纏繞厚度值導入有限元軟件ANSYS，根據(jù)軟件的操作順序進行實體建模， 劃分網(wǎng)格、施加載荷及模擬計算，得到設(shè)計橫擔結(jié)構(gòu)承受載荷作用下的等效應(yīng)力值及撓度 值；9)判斷步驟7)得到的橫擔結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，即正常運行工況下橫擔頂 端的撓度小于整體橫擔長度的15%。，大風工況下所述橫擔的強度應(yīng)大于設(shè)計安全系數(shù)值 1. 8 ；10)若滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計，進入橫擔的加工程序；若不滿足設(shè)計要求，重復步驟7) 步驟9)，調(diào)整所述纏繞層的厚度及鋪層方向角的優(yōu)化，直 至所述橫擔的安全系數(shù)值滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計。經(jīng)完成設(shè)計的復合材料橫擔，具體成型方法如圖1所示先確定所用的復合材料 空心管是由玻璃纖維、熱固性樹脂混合后經(jīng)傳統(tǒng)的拉擠成型工藝加工而成；在該復合材料 空心管內(nèi)充滿的發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層，該發(fā)泡聚氨酯泡沫材料采用機器發(fā)泡 的聚氨酯發(fā)泡料；內(nèi)芯層構(gòu)成的具體操作為先將復合材料空心管一端用堵頭堵住，從復 合材料空心管的另一端使用噴槍向其管內(nèi)填充發(fā)泡聚氨酯泡沫材料，直至充滿后將其端口 堵嚴；然后再在復合材料空心管的外表面由玻璃纖維增強樹脂基材料纏繞構(gòu)成外層。當 纏繞厚度為5mm時，對其橫擔進行測試，該橫擔的應(yīng)力值及安全系數(shù)不滿足設(shè)計要求時，由 增加外層的纏繞層厚度進行調(diào)整，直至滿足成型的橫擔應(yīng)力值及安全系數(shù)符合設(shè)計要求為 準。實例2 基本設(shè)計方法同實例1，其不同點在于確定橫擔的外層所用的樹脂基原料的配比和該外層的纏繞厚度；其中，樹脂基原 料由乙烯基酯樹脂90份，固化劑1份，促進劑0. 2份，防老化劑1份，色漿1份混合而成；外 層纏繞的厚度為7mm ；橫擔中間層所用的復合材料空心管，其內(nèi)徑d為80mm ；外徑D為IOOmm ；將內(nèi)徑d 與外徑D代入公式①，得到橫擔的抗彎截面系數(shù)W為0. 579 X ΙΟ"4 ；W = —①取實際線路中使用工況的設(shè)計載荷數(shù)值F = 18100N與所述橫擔的力臂長度L = 1. 3m代入公式②，獲取該橫擔所能承受的最大彎矩M為23530N · M ；M = FXL = 18100X 1. 3 = 23530N · M (2)4)將步驟3)使用工況時的最大彎矩M值和該橫擔的抗彎截面系數(shù)W值，代入公式 ③，獲取使用工況時所述橫擔承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值σ = 406.39MPa;σ = M/ff③5)取所述復合材料空心管的許用應(yīng)力值421MPa，與步驟4)獲取的最大應(yīng)力值 σ 406. 39MPa的比值，得到所述橫擔在使用工況時的安全系數(shù)值為1. 03 ；6)將步驟5)得到的安全系數(shù)值1. 03與設(shè)計安全系數(shù)值1. 8進行比較，該值小于 1. 8且差距較大；7)制備纏繞成型試樣，完成測試，得到該試樣的基本性能指標；為使橫擔結(jié)構(gòu)能 夠滿足設(shè)計要求需在在拉擠成型管外纏繞一定厚度的玻璃纖維樹脂基復合材料層，結(jié)合纏 繞成型試樣的測試結(jié)果確定所述外層的纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料的纏繞方式及厚度， 其中纏繞方式以纏繞方向角90° /0° /54° /90° /0° /90°順序纏繞，纏繞層厚度7mm ；8)將步驟7)所述試樣的基本性能指標中的彈性常數(shù)及泊松比性能參數(shù)、纏繞方 向角的順序以及纏繞厚度值導入有限元軟件ANSYS，根據(jù)軟件的操作順序進行實體建模，劃 分網(wǎng)格、施加載荷及模擬計算，確定所述試樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置；9)判斷步驟8)得到的橫擔結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計安全系數(shù)值的要求，即正常運行工況下橫擔頂端的撓度小于整體橫擔長度的15%。，大風工況下所述橫擔的強度應(yīng)大于設(shè)計安 全系數(shù)值1. 8 ；10)若滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計，進入橫擔的加工程序；若 不滿足設(shè)計要求，重復步驟7) 步驟9)，調(diào)整所述纏繞層的厚度及鋪層方向角的優(yōu)化，直 至所述橫擔的安全系數(shù)值滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計。經(jīng)完成設(shè)計的復合材料橫擔，具體成型方法如圖1所示先確定所用的復合材料 空心管是由玻璃纖維、熱固性樹脂混合后經(jīng)傳統(tǒng)的拉擠成型工藝加工而成；在該復合材料 空心管內(nèi)充滿的發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層，該發(fā)泡聚氨酯泡沫材料采用機器發(fā)泡 的聚氨酯發(fā)泡料；內(nèi)芯層構(gòu)成的具體操作為先將復合材料空心管一端用堵頭堵住，從復 合材料空心管的另一端使用噴槍向其管內(nèi)填充發(fā)泡聚氨酯泡沫材料，直至充滿后將其端口 堵嚴并固定；然后再在復合材料空心管的外表面由玻璃纖維增強樹脂基材料纏繞構(gòu)成外 層。當纏繞厚度為5mm時，對其橫擔進行測試，該橫擔的應(yīng)力值及安全系數(shù)不滿足設(shè)計要求 時，由增加外層的纏繞層厚度進行調(diào)整，直至滿足成型的橫擔應(yīng)力值及安全系數(shù)符合設(shè)計 要求為準。
權(quán)利要求
一種復合材料電力橫擔，為圓柱形實心結(jié)構(gòu)，其特征在于該圓柱形實心結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外分設(shè)為三層，內(nèi)芯層、中間層和外層；其中，中間層為一拉擠成型的復合材料空心管，以該復合材料空心管為基礎(chǔ)，在該空心管的管芯內(nèi)注滿發(fā)泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在該空心管的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料構(gòu)成所述外層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料電力橫擔，其特征在于所述復合材料空心管內(nèi)徑 為70-80mm ；外徑為IOOmm ；其厚度為10_15mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料電力橫擔，其特征在于所述發(fā)泡聚氨酯泡沫材料 為機器發(fā)泡料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料電力橫擔，其特征在于所述玻璃纖維樹脂基復合 材料由8-10層玻璃纖維布與增強熱固性樹脂基浸漬后纏繞、固化成型；其中，所述增強熱 固性樹脂由乙烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進劑0. 2 1. 5份，防老化劑 1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。
5.一種復合材料電力橫擔結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括步驟如下1)將實心的圓柱狀橫擔結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層，由內(nèi)至外分別為內(nèi)芯層、中間層和外層；其 中，中間層為一拉擠成型的復合材料空心管；以該復合材料空心管作基礎(chǔ)，在管芯內(nèi)注滿發(fā) 泡聚氨酯泡沫材料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在管芯的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料構(gòu)成所述 橫擔的外層；2)確定步驟1)外層所用的樹脂基原料配比和該外層的纏繞厚度；3)將步驟1)所述復合材料空心管的內(nèi)徑d與外徑D值，代入公式①得到橫擔的抗彎截面系數(shù) = f [ι-(I)4]①取實際線路中使用工況的設(shè)計載荷數(shù)值F與所述橫擔的力臂長度L代入公式②，獲取 該橫擔所能承受的最大彎矩M ；M = FXL ②4)取步驟3)使用工況時的最大彎矩M和所述橫擔的抗彎截面系數(shù)W，代入公式③，獲 取使用工況時所述橫擔能夠承受最大載荷作用時的最大應(yīng)力值ο ；σ = M/ff ③5)將步驟4)獲取的最大應(yīng)力值σ與所述復合材料空心管的許用應(yīng)力值的相比，得到 所述橫擔在使用工況時的安全系數(shù)值；6)將步驟5)得到的安全系數(shù)值與設(shè)計安全系數(shù)值1.8進行比較，以得到安全系數(shù)與設(shè) 計要求的安全系數(shù)之間的差距；7)制備纏繞成型復合材料試樣，完成測試，得到該試樣的基本性能指標以確定所述 外層的纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料的纏繞方式及厚度；其中纏繞方式以纏繞方向角 90° /0° /54° /90° /0° /90°順序纏繞，該纏繞層的厚度值為5mm 7mm ；8)將步驟7)所述試樣的基本性能指標中的彈性常數(shù)及泊松比性能參數(shù)、 纏繞方向角的順序以及纏繞厚度值導入有限元軟件ANSYS，由ANSYS軟件的 Preprocessor-modeling 命令進行實體建模，Preprocessor-meshing 劃分網(wǎng)格、 Preprocessor-solution-define loads 施力口載荷及 Preprocessor-solution-solve-curr ent LS 模擬計算，最終分別由 General postprocessor-plotresults-contourplot-nodalsolution-stress-vonMises stress禾口General postprocessor-plotresults-contourplo t-DOF solution-displacementvector sum命令得到給橫擔結(jié)構(gòu)承受載荷作用下的Mises 等效應(yīng)力值及撓度值；9)判斷步驟8)得到的橫擔結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計安全系數(shù)值的要求，即正常運行工況下 橫擔頂端的撓度小于整體橫擔長度的15%。，大風工況下所述橫擔的強度應(yīng)大于設(shè)計安全系 數(shù)值1. 8 ；10)若滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計，進入橫擔的加工程序；若不滿 足設(shè)計要求，重復步驟7) 步驟9)，調(diào)整所述纏繞層的厚度及鋪層方向角的優(yōu)化，直至所 述橫擔的安全系數(shù)值滿足設(shè)計要求，則完成所述復合材料橫擔的設(shè)計。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)計方法，其特征在于步驟1)所述復合材料空心管的內(nèi)徑 為70-80mm，外徑為IOOmm ；該空心管的厚度為10_15mm ；所述玻璃纖維樹脂基復合材料由 8-10層玻璃纖維布與樹脂基復合材料相間鋪設(shè)固化成型；其中，所述增強熱固性樹脂由乙 烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿 0. 2 1份混合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的設(shè)計方法，其特征在于步驟6)所述試樣的基本性能指 標為在室溫16°C、相對濕度40%條件下，纏繞用的玻璃纖維布拉伸彈性模量為40. 9GPa ； 彎曲模量為11. 2GPa ；剪切模量5. 2GPa ；泊松比為0. 33 ；所述發(fā)泡聚氨酯泡沫層的彈性模 量為8. 4IGPa ；泊松比為0. 36。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復合材料電力橫擔及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，屬輸電桿配套結(jié)構(gòu)件的設(shè)計領(lǐng)域。該電力橫擔結(jié)構(gòu)呈圓柱形實心結(jié)構(gòu)，它由徑向的內(nèi)至外分設(shè)為三層，內(nèi)芯層、中間層和外層；中間層為基礎(chǔ)，采用復合材料空心管；在其管芯內(nèi)注滿發(fā)泡聚氨酯泡沫料構(gòu)成其內(nèi)芯層；在其管的外表面纏繞玻璃纖維樹脂基復合材料構(gòu)成外層。其設(shè)計方法包括利用有限元軟件ANSYS的操作順序進行實體建模，劃分網(wǎng)格、施加載荷及模擬計算，確定橫擔的結(jié)構(gòu)設(shè)置、外層纏繞厚度和纏繞方向角的優(yōu)化；使其滿足設(shè)計安全系數(shù)值和撓度要求；利用本方法設(shè)計成的橫擔，其質(zhì)量輕、絕緣性好、截面抗彎性能指標應(yīng)用于實際線路上可有效提高其安全裕度，方便安裝并可降低成本，有益于推廣應(yīng)用。
文檔編號E04H12/02GK101906895SQ20101023541
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者任宗棟, 劉泉, 彭玉剛, 曹小平, 李濟民, 賈偉, 趙愛軍, 陳澍 申請人:北京玻鋼院復合材料有限公司