发布时间 : 星期四 文章复合材料杆塔中的工程应用 - 图文更新完毕开始阅读
图4.1 复合材料杆塔结构图 图4.2 复合材料杆塔真型试验 3）加工工艺的选择
玻璃钢的加工工艺、纤维层的敷设方向等都将影响结构的承载力，因此，加工工艺的设计是杆塔设计的重要环节。同时，由于原材料价格居高不下，使得即便考虑复合材料在缩减走廊、交通运输、运行维护上的综合效益，其生产成本仍为钢材的两倍，因此有必要采用 更加经济合理的杆体加工工艺。
对于FH35塔，在杆塔结构设计中，重新设计了主杆的加工工艺，采用石英砂/树脂颗粒的夹层结构。一方面石英砂的材料价格仅为玻璃钢的35%，另一方面二者共同作用下的协调性好，并已有丰富的工程应用经验。
图4.3 石英砂/树脂夹层结构
杆体结构分为四层：纤维缠绕内结构层、石英砂/树脂刚度层、纤维缠绕外结构层以及表面功能层。纤维缠绕内结构层为连续纤维缠绕复合材料，起密封及部分承载的作用；石英砂刚度层由石英砂/树脂组成，起提高刚度、抵抗变形的作用；纤维缠绕外结构层为连续纤维缠绕复合材料，主要起承载作用；表面功能层由抗老化添加剂和树脂配置而成，起防止大气老化等作用。
实际结构中，杆塔下段塔身采用夹层结构，而上段塔身由于节点构造多，为保证结构的可靠性，未采用夹砂结构。采用此方案后整塔造价可降低15%，经济性明显。
4）真型试验的验证
真型试验一方面是对产品的一种验证，同时，也是对设计方法和思路的一种检验。
对FH35塔，该结构方案顺利通过了断线、覆冰、90°大风超载工况在内的7项工况的测试，如图4.4所示。该图显示了各工况下杆顶变形的理论值及实测值，由图可以发现理论解与实测结果基本一致，除正常运行工况（相差在44%）外，其余偏差均控制在10%左右，说明了有限元模型的准确性。正常运行工况偏差较大的主要原因在于该工况的荷载较小，低于加荷系统加荷的最小量级，加荷误差对杆塔变形产生了较大的影响，但其仍满足15‰的变形要求；而其他工况基本表现出理论值较实测值大10%的现象，这主要是由于有限元分析时简化了节点构造，未考虑金属套筒的影响，而节点优化的结果显示，金属套筒可减少约10%的塔顶挠度，进一步说明了计算的准确性。另外，对于不均匀冰、断线在内的3种工况，塔顶均出现了反弯现象。这主要是由于张力作用于导线挂点处，其上塔身并未受到断线张力的影响。
图4.4 各工况下结构挠度曲线
在对结构变形分析后，我们将继续选取90°大风工况（纯弯）以及断上导线工况（弯扭）两种典型工况，分析杆塔在不同受力特点下的力学反应。计算显示，其最大应力出现在结构底部，拉、压最大应力分别为165MPa和166MPa，远低于材料的设计强度。因此，即便大风工况超载至146%时，仍未出现破坏，此时杆顶变形已达到5m，但在卸去荷载后，杆塔仍能恢复原始状态，未出现残余变形。而在断线工况下，其最大应力出现在断线横担与塔身的连接处。这一方面是由于断线张力较大，而另一方面是由于计算模型将横担与杆身的连接处简化为单节点连接，从而造成连接处局部应力集中。忽略此应力集中后，可发现最大应力仍出现在结构底部，拉、压最大应力为154MPa和146MPa，结构安全可靠。
图4.5 展示了杆体底部在90°大风工况下的应变发展情况，从图可以看出，拉压侧应变发展趋势基本一致，而杆体应变以环向应变为主，达到3000με左右，换算为应力后，拉、压应力分别为155MPa和149MPa，与理论值想接近。这一方面体现了玻璃钢本身的各向异性，提醒我们在材料设计时，应合理选择纤维的敷设方向及层数；另一方面也验证了SOLID46层状单元在模拟玻璃钢纤维结构的准确性。
图4.5 杆体底部应变荷载曲线
另外，从应力分布云图中可以看出，下段塔身应力明显较上段大，这主要是由于夹砂层刚度较低，使结构变形加剧，增大了P-△效应。当将下段杆身夹砂层换为玻璃钢后，杆顶挠度大幅降低，拉压应力减少为86.4MPa和86.9MPa。因此，未来待玻璃钢生产成本降低后，可考虑全杆采用玻璃钢，从而提高杆塔的抗变形性能。
4.2 节点设计及优化
节点的设计工作主要包括节点方案的选择及方案优化两部分，其选择及优化的依据应围绕连接的可靠性、加工制造的可行性及经济性进行，同时考虑上下杆体的变形协调性、套筒与杆体间的粘结强度及抗扭强度、杆塔挠度控制、套筒局部变形对胶层开裂等方面的要求。下面将以FH35塔的节点构造为例进行讨论。
表4.1对比了管壁预埋金属螺栓、插接胶粘、金属法兰套筒三种方案的可靠性、可加工性及安装性，最终选择金属法兰套筒粘结主杆，辅以抗扭销钉的连接方案。该节点型式承载力高，金属套筒可控制结构变形，避免连接的疲劳失效；同时加工、安装方便，便于工程应用。