ACSR接续管压接残余应力下的风振疲劳数学模型及试验分析

摘要

钢芯铝绞线（ACSR）接续处频繁出现绞线损伤断裂状况。主要表现在钢芯铝绞线接续管受到压接后的残余应力、微风振动的动弯应力幅值、振动疲劳等影响，容易出现疲劳损伤。因此，对钢芯铝绞线接续管压接残余应力下的风振疲劳进行研究，能够控制压接残余应力、减小振动应力幅值、进而提高疲劳寿命。 为了对钢芯铝绞线接续管风振疲劳寿命进行研究。建立接续管压接残余应力下的风振疲劳响应数学模型，使用数值模拟软件对数学模型进行求解，最后通过接续管疲劳试验对数学模型进行验证。进行如下研究： 首先，开展压接对边尺寸、压接模长、管口倒角型式三种压接因素对接续管压接残余应力的影响研究。以LGJ-240/30钢芯铝绞线接续管为研究对象，建立接续管压接残余应力数学模型。使用COMSOL软件建立接续管压接物理模型，设置不同压接因素为边界条件，通过对不同压接组合计算得到广义数据，进行拟合处理，对数学模型进行求解。该数学模型可以计算出接续管压接后管体及绞线的残余应力。 其次，开展压接残余应力对接续管微风振动下应力幅值的影响研究，基于能量法建立压接残余应力对接续管动弯应力幅值影响数学模型。使用COMSOL仿真软件建立接续管微风振动物理模型，通过改变软件内核计算式系数，将建立的数学模型输入软件。计算单根钢芯铝绞线接续管在锁定效应下的风速与风频，将风速输入作为边界条件，基于能量平衡法对钢芯铝绞线不同使用张力下的应力幅值进行计算。 再次，开展计算压接残余应力影响下的接续管疲劳寿命研究，基于塑性流动法及强度因子理论建立接续管的损伤、断裂阶段疲劳寿命数学模型。计算前处理中使用接续管材料S-N曲线与微风振动计算中的广义数据，对相同物理模型进行疲劳仿真计算。计算边界条件采用损伤、断裂两个阶段的累积疲劳。修改计算基础稳态式中相应系数，将塑形流动法与强度因子理论输入计算内核，计算接续管疲劳使用率与应变变化率。 最后，开展验证钢芯铝绞线接续管在压接后存在疲劳源区引起的风振疲劳损伤研究，进行接续管风振疲劳试验。以LGJ-240/30钢芯铝绞线接续管为试验材料，压接对边尺寸30mm、压模长度30mm、接续管管口倒圆角为条件进行压接。通过高频疲劳试验机施加载荷，收集接续管振动中管体及管口绞线动弯应变，使用SEM电镜扫描收集接续管损伤中的裂纹长度等情况。试验结束后，对数据进行整理，并与仿真结果进行比较，吻合度为84.6%。 研究结果表明，钢芯铝接续管的压接对边尺寸、压接长度、管口倒角型式对压接残余应力的形成影响程度依次减小。压接残余应力引起的应力集中现象导致的疲劳源区在微风振动工况下形成较大的动弯应力幅值，加速接续管的疲劳损伤。因此控制接续管的压接条件可以提高接续管的使用寿命。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 钢芯铝绞线接续管压接、风振疲劳响应研究现状

1.2.1 钢芯铝绞线接续管液压压接研究现状

1.2.2 钢芯铝绞线接续管微风振动响应研究现状

1.2.3 钢芯铝绞线接续管疲劳特性研究现状

1.3 目前存在且尚需要解决的问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 ACSR接续管压接残余应力下的风振疲劳数学模型

2.1 引言

2.2 构建钢芯铝绞线接续管压接残余应力数学模型

2.3 基于能量平衡法建立接续管压接残余应力影响下的风振数学模型

2.4 风振应力幅下钢芯铝绞线接续管疲劳寿命数学模型

2.4.1 基于塑性流动法的接续管损伤阶段疲劳寿命求解

2.4.2 基于强度因子接续管断裂阶段疲劳寿命求解

2.5 本章小结

第3章 钢芯铝绞线接续管压接残余应力影响因素分析

3.1 引言

3.2.1 建立铝绞线接续管压接仿真模型

3.2.2 设定边界条件及划分网格

3.2.3 不同压接尺寸铝绞线接续管结构特性分析

3.3 铝绞线接续管压接模长调整仿真分析

3.3.1 仿真模型前处理

3.3.2 压接后管体与绞线塑性形变及应力分析

3.3.3 管口最后一模压接长度对管口应力的影响

3.4 铝绞线压接管口形状仿真分析

3.4.1 压接管口形状模型

3.4.2 压接管口应力分析

3.5 本章小结

第4章 钢芯铝绞线接续管压接残余应力下的风振疲劳响应

4.1 引言

4.2 钢芯铝绞线接续管锁定效应下风速仿真分析

4.2.1 建立单根导线仿真模型

4.2.2 设定升曳力边界条件及划分网格

4.2.3 导线锁定效应下的风速与风频仿真分析

4.3.1 建立三维风振仿真模型

4.3.2 设定风速风向边界条件及划分网格

4.3.3 钢芯铝绞线接续管不同张力下的风振响应

4.4 基于塑形流动法与强度因子理论接续管的风振疲劳响应分析

4.4.1 设定循环应力比边界条件及划分网格

4.4.2 不同压接条件下的疲劳计算分析

4.5 本章小结

第5章 钢芯铝绞线接续管疲劳试验研究

5.1 引言

5.2 试验方法、步骤与试验装置

5.2.1 试验方法

5.2.2 试验步骤

5.2.3 试验装置

5.3 25%导线额定拉断力下的钢芯铝绞线接续管疲劳响应

5.3.1 钢芯铝绞线振动响应

5.3.2 钢芯铝绞线接续管疲劳状态下应变分析

5.3.3 接续管表面裂纹与疲劳寿命分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢