一种拉线塔用压接管及管口设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种拉线塔用压接管及管口设计方法，该压接管包括一管本体，所述管本体的管口端面为一平直面，所述管口端面与所述管本体之间通过两圆弧过渡结构连接以分别形成一外倒角和一内倒角，两所述圆弧过渡结构与所述管本体的内、外表面相切，两所述圆弧过渡结构与所述管口端面相交，并且所述圆弧过渡结构满足如下的几何关系：t=0.5XT;L=(3.5?4.5)Xt;R=(t2+L2)/2t;上式中：T表示拉线与压接管压接时压接钢模的压缩量表示圆弧过渡结构在垂直于管本体1方向上的高度；L表示圆弧过渡结构在平行于管本体1方向上的长度#表示圆弧过渡结构的弧半径。本发明能够有效降低拉线的集中应力，增加拉线及金具的使用寿命。
【专利说明】一种拉线塔用压接管及管口设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拉线塔用压接管及管口设计方法。
【背景技术】
[0002]拉线金具包括耐张线夹、U型挂环等，这些金具与拉线一起组成拉线系统，在拉线塔体中充当重要角色。拉线和金具之间一般通过压接管连接在一起，连接的质量直接决定着拉线或连接金具安全可靠性，也影响着整个拉线塔的安全稳定。
[0003]压接管的压接的本质是冷挤压成型。拉线与压接管装配后，压接管压接顺序按照从里向压接管管口依次压，顺序不能颠倒，施压时相邻两钢模间至少重叠5mm以消除第一次压接端部产生的应力集中。
[0004]压接管在挤压力的作用下会在管口挤压变形，容易出现拉线应力集中现象，拉线金具在长期运行中承受的荷载是变化的，除承受导线的自重外，当有风或有冰附着时还承受风载和冰载，形成拉伸和弯曲两种荷载的组合作用。在这种复杂的受力条件下，线路可能发生导线舞动和微风振动等现象，拉线则随线路发生振动，由于管口处拉线具有较大的集中应力，进而可能引起强度破坏、疲劳失效。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减小管口处拉线集中应力的拉线塔用压接管及管口设计方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种拉线塔用压接管，其特征在于，它包括一管本体，所述管本体的管口端面为一平直面，所述管口端面与所述管本体之间通过两圆弧过渡结构连接以分别形成一外倒角和一内倒角，两所述圆弧过渡结构与所述管本体的内、外表面相切，两所述圆弧过渡结构与所述管口端面相交，并且所述圆弧过渡结构满足如下的几何关系:t = 0.5XT ；L = (3.5?4.5) Xt ;R = (t2+L2)/2t ;上式中:T表示拉线与压接管压接时压接钢模的压缩量；t表示圆弧过渡结构在垂直于管本体I方向上的高度；L表示圆弧过渡结构在平行于管本体I方向上的长度#表示圆弧过渡结构的弧半径。
[0007]所述圆弧过渡结构在平行于所述管本体方向上的长度L与所述圆弧过渡结构在垂直于所述管本体方向上的高度t之间满足几何关系:L = 4Xt。
[0008]所述压接管是通过如下的方法设计出来的:1)压接管有限元模型的选择:由于压接管施加压力属于大变形接触问题，分析过程中根据对称性，选择拉线和压接管纵截面1/2建立有限元计算模型，建模时采用经典双线性等向强化(BISO)，该模型使用一个双线性来表示应力应变曲线，根据曲线确定压接管和拉线的屈服极限和弹性模量；2)有限元模型网格划分:拉线和压接管均采用平行四边形网格映射实现网格划分，并对拉线和压接管接触部位，即拉线的外表面和压接管内表面采用网格局部细化；3)约束处理:拉线和压接管一端施加固定约束，并在拉线的下端施加对称约束；由于压接管与拉线之间为面-面接触接触，本模型在接触部位选择contal72接触单元和Targel69目标单元,采用两个接触对,模拟压接过程；4)加载求解:进行加载时采用斜坡加载方式加载，对压接钢模进行位移加载，根据压接钢模的形状，以及压接管的大小，确定位移大小，即压接钢模的压缩量T，然后对其模型进行求解；5)结果提取:在计算结果文件中，提取压接后塑性变形图、等效应力图，并记录沿压接管轴线方向上的应力值及变形值；6)曲线拟合:确定T的约束范围为O到压缩管管壁厚度一半，L的约束范围为O至10倍的压缩管管壁厚度，对L和T在给定范围内进行随机取值，重复步骤I)?5)，以压接管管口压接状态下的应力分布为优化目标，确定L和T的最佳组合，获得压接管管口内倒角和外倒角的弧形过渡结构。
[0009]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明拉线塔用压接管的管本体与管口端面通过两圆弧过渡结构连接，并且圆弧过渡结构满足几何关系:t = 0.5XT，L= (3.5?4.5)Xt，R= (t2+L2)/2t，本发明所述压接管在压接状态下，其内倒角被挤压为一个圆环形曲面(该曲面与压接管内表面重合，内倒角与压接管端面的交点与拉线刚好接触)，即形成了一个相对较为缓和的变异区，因此能够产生较小的集中应力，从而降低拉线的集中应力，增加拉线及金具的使用寿命。2、本发明结构简单、使用可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明压接管的结构示意图；
[0011]图2是图1中I部分的放大结构示意图；
[0012]图3是本发明在压接装置下的结构示意图；
[0013]图4是本发明与拉线金具间的连接及压接顺序示意图；
[0014]图5是圆弧过渡结构示意图；
[0015]图6是45号钢的应力应变曲线；
[0016]图7是钢绞线的应力应变曲线；
[0017]图8为t = Imm时不同L取值时的应力变化曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0019]如图1、图2所示，本发明提供了一种拉线塔用压接管，它包括管本体1，管本体I的管口端面2为一平直面，管口端面2与管本体I之间通过两圆弧过渡结构连接分别形成外倒角3和内倒角4。圆弧过渡结构与管本体I的内、外表面相切，与管口端面2相交，且圆弧过渡结构满足如下的几何关系:
[0020]t = 0.5 X T ;
[0021]L= (3.5 ?4.5) Xt ;
[0022]R = (t2+L2) /2t ；
[0023]上式中:T表示拉线与压接管压接时压接钢模的压缩量，其近似取值钢模横截面半径与拉线横截面半径的差(拉线横截面半径为已知量，钢模横截面半径在压接规程中有相关规定)表示圆弧过渡结构在垂直于管本体I方向上的高度；L表示圆弧过渡结构在平行于管本体I方向上的长度洱表示圆弧过渡结构的弧半径。
[0024]在一个优选的实施例中，圆弧过渡结构在平行于管本体I方向上的长度L与圆弧过渡结构在垂直于管本体I方向上的高度t之间满足几何关系:
[0025]L = 4 X t
[0026]本发明所提供的上述拉线塔用压接管，是通过下述的一种拉线塔用压接管管口设计方法所设计，它包括以下步骤:
[0027]I)压接管有限元模型的选择:由于压接管施加压力属于大变形接触问题，分析过程中根据对称性，选择拉线和压接管纵截面1/2建立有限元计算模型，建模时采用经典双线性等向强化(BISO)，该模型使用一个双线性来表示应力应变曲线，根据曲线确定压接管和拉线的屈服极限和弹性模量；
[0028]2)有限元模型网格划分:拉线和压接管均采用平行四边形网格映射实现网格划分，并对拉线和压接管接触部位，即拉线的外表面和压接管内表面采用网格局部细化；
[0029]3)约束处理:拉线和压接管一端施加固定约束，并在拉线的下端施加对称约束；由于压接管与拉线之间为面-面接触接触，本模型在接触部位选择contal72接触单元和Targel69目标单元，采用两个接触对，模拟压接过程；
[0030]4)加载求解:进行加载时采用斜坡加载方式加载，对压接钢模进行位移加载，根据压接钢模的形状，以及压接管的大小，确定位移大小，即压接钢模的压缩量T，然后对其模型进行求解；
[0031]5)结果提取:在计算结果文件中，提取压接后塑性变形图、等效应力图，并记录沿压接管轴线方向上的应力值及变形值；
[0032]6)曲线拟合:确定T的约束范围为O到压缩管管壁厚度一半，L的约束范围为O至10倍的压缩管管壁厚度，对L和T在给定范围内进行随机取值，重复步骤I)?5)，以压接管管口压接状态下的应力分布为优化目标，确定L和T的最佳组合，获得压接管管口内倒角和外倒角的弧形过渡结构。
[0033]下面对本发明的有益效果从原理上予以论述:
[0034]如图1所示，当压接管与拉线5压接后，在压接部位产生握着力，握着力由三部分组成:一是压接管经过压缩塑性变形后与拉线5的摩擦力；二是压接管经过压缩塑性变形后使其与拉线的绞制纹路咬合在一起而产生“螺纹效应”的咬合力；三是压接管经过压缩塑性变形所产生的高温热能使其与拉线5的表面产生了“局部的熔合现象”所形成的粘着力。
[0035]压接管压接的本质是冷挤压成型。拉线5与压接管装配后，压接管压接顺序按照从里向压接管管口依次压，顺序不能颠倒，施压时相邻两压接钢模6间至少重叠5mm以消除第一次压接端部产生的应力集中(如图4所示)。对非螺栓型耐张线夹压接管施压时，第一模自U形拉环7端头开始，逐渐向管口方向依次施压。压接管在周向压力作用下产生塑性变形，外径和内径尺寸均减小，通过内壁和拉线5的接触面传递法向力，致使拉线5产生变形。压接使拉线5与压接管之间形成一定的握着强度，牢固接合为一整体。由于挤压过程的加工硬化作用，被挤压件的强度、硬度、耐疲劳性均有较大的提高。当进行到最后一次压接，压接管管口突变，形成集中应力，同时没有相应的措施来消除或者减小管口的集中应力。
[0036]集中应力产生原因是由于受力构件由于外界因素或自身因素几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大。
[0037]因此，本发明的最大改进之处在于:对压接管管本体I的管口处的内倒角4和外倒角3设计为圆弧过渡结构。传统结构的倒角一般设计为45°斜线倒角或者圆形倒角，用于消除压接管I管口处产生的应力集中，但是对于压接管I的本身应用领域及压接成型过程，这种应力消除方式并非最佳。由此，发明人为了解决此问题，以弹塑性理论和接触问题基本理论作为研究基础，开发了消除压接形式的端部应力的设计方法，并由此应用于拉线塔用压接管管口，获得压接管管口的内外倒角的圆弧过渡结构，即:t = 0.5XT，L = (3.5?
4.5) X t，优选的，L = 4Xt。如图5所示，根据上述几何关系可进一步确定圆弧的半径R =(t2+L2)/2t，并且圆弧过渡结构与管本体I的表面相切。
[0038]如图1、图2所示，压接管在未压接状态下，其内倒角4和外倒角3的是相同的，内倒角4与管本体I内表面相切、与管口端面2相交,外倒角3与管本体I外表面相切、与管口端面2相交。
[0039]如图3所示，压接管在压接状态下，压接管的内倒角被挤压为一个圆环形曲面，该曲面与压接管内表面重合，内倒角与压接管端面的交点与拉线刚好接触，两者之间不存在相互作用力；压接管的端面被挤压形成向外侧突出的弧形曲面。
[0040]本发明原理是通过减缓压接管的管口处的突变大小来完成。在进行压接管压接时，较缓和的变异区，能够产生较小的集中应力，最终降低拉线集中应力，从而增加拉线及金具的使用寿命。本发明结构简单，操作方便，简单可靠，能较好的解决拉线塔用压接管对拉线的产生集中应力的问题，增加拉线及金具的使用寿命。
[0041]下面以一具体实施例来说明本发明所述方法的效果。
[0042]选择的压接管材料为45号钢，通过查表得到45号钢的抗拉强度600MPa，布氏硬度为176 ;拉线抗拉强度为不小于1225MPa，布氏硬度为371。本实施例的算例选用的耐张线夹型号为NY-135G耐张线夹，圆形钢管外径30mm，内径为15mm。
[0043]利用ANSYS有限元分析软件针对管口不同的形状分别进行建模和应力分析，分析内容主要包括压接过程中的等效应力、接触压力、接触状态，以及卸载后的残余应力、接触状态等。采用压接机钢模为YMG-30，采用施压宽度为7.5mm，其表面位移载荷为2mm。分析步骤如下:
[0044]I)压接管有限元模型的选择:对压接管施加压力属于大变形接触问题，分析过程中根据对称性，选择拉线和液压管纵截面1/2建立有限元计算模型。ANSYS程序提供了多种塑性材料选项，建模时采用经典双线性等向强化BIS0，该模型使用一个双线性来表示应力应变曲线，所以有两个斜率，弹性斜率和塑性斜率。45号钢的屈服极限为355MPa，切线模量约为弹性模量的1/10，取2.lElOPa。钢绞线选择屈服极限为1025MPa的钢材，相应的BISO模型应力应变曲线如图6、图7所示。该曲线将被输入到压接过程的模拟计算中去。
[0045]2)有限元模型网格划分:拉线和压接管均采用平行四边形网格映射实现网格划分，并对拉线和压接管接触部位，即拉线的外表面和压接管内表面采用网格局部细化；
[0046]3)约束处理:针对本模型选择contal72接触单元和Targel69目标单元以及PLANE183结构单元进行求解。左端固定约束，下端对称约束。采用两个接触对，模拟压接过程。
[0047]4)加载求解:在ANSYS软件中进行加载时采用斜坡加载方式加载，对液压钢模进行位移加载，根据钢模的形状，以及压接管的大小，确定位移大小为2mm。
[0048]5)结果处理:利用ANSYS有限元分析软件提取其中的接触压力，进行分析。
[0049]6)针对管口不同的形状分别进行建模重复步骤I)?5)。如附图8所示，针对管口处弧形倒角t = Imm时,不同的L(给出了 2mm、3mm、4mm、5mm),其中O点为压接管端面与外表面的交点。对比得到当纵向切割在I?4_时，应力变化趋于平缓。当纵向切割变为5mm时，得到应力变化较大。因此可以确定当L = 4Xt，圆弧的半径R= (t2+L2)/2t时，为应力分布最均匀，属于应力消除的最佳切合点。
[0050]本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种拉线塔用压接管，其特征在于，它包括一管本体，所述管本体的管口端面为一平直面，所述管口端面与所述管本体之间通过两圆弧过渡结构连接以分别形成一外倒角和一内倒角，两所述圆弧过渡结构与所述管本体的内、外表面相切，两所述圆弧过渡结构与所述管口端面相交，并且所述圆弧过渡结构满足如下的几何关系:
t = 0.5 X T ；
L= (3.5 ?4.5) Xt ;
R= (t2+L2)/2t ； 上式中:T表示拉线与压接管压接时压接钢模的压缩量；t表示圆弧过渡结构在垂直于管本体I方向上的高度；L表示圆弧过渡结构在平行于管本体I方向上的长度洱表示圆弧过渡结构的弧半径。
2.如权利要求1所述的一种拉线塔用压接管，其特征在于，所述圆弧过渡结构在平行于所述管本体方向上的长度L与所述圆弧过渡结构在垂直于所述管本体方向上的高度t之间满足几何关系:
L = 4X t0
3.—种如权利要求1或2所述的拉线塔用压接管的管口设计方法，包括以下步骤: 1)压接管有限元模型的选择:由于压接管施加压力属于大变形接触问题，分析过程中根据对称性，选择拉线和压接管纵截面1/2建立有限元计算模型，建模时采用经典双线性等向强化，该模型使用一个双线性来表示应力应变曲线，根据曲线确定压接管和拉线的屈服极限和弹性模量； 2)有限元模型网格划分:拉线和压接管均采用平行四边形网格映射实现网格划分，并对拉线和压接管接触部位，即拉线的外表面和压接管内表面采用网格局部细化； 3)约束处理:拉线和压接管一端施加固定约束，并在拉线的下端施加对称约束；由于压接管与拉线之间为面-面接触接触，本模型在接触部位选择contal72接触单元和Targel69目标单元，采用两个接触对，模拟压接过程； 4)加载求解:进行加载时采用斜坡加载方式加载，对压接钢模进行位移加载，根据压接钢模的形状，以及压接管的大小，确定位移大小，即压接钢模的压缩量T，然后对其模型进行求解； 5)结果提取:在计算结果文件中，提取压接后塑性变形图、等效应力图，并记录沿压接管轴线方向上的应力值及变形值； 6)曲线拟合:确定T的约束范围为O到压缩管管壁厚度一半，L的约束范围为O至10倍的压缩管管壁厚度，对L和T在给定范围内进行随机取值，重复步骤I)?5)，以压接管管口压接状态下的应力分布为优化目标，确定L和T的最佳组合，获得压接管管口内倒角和外倒角的弧形过渡结构。
【文档编号】G06F17/50GK104214273SQ201410440197
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】袁兆祥, 齐立忠, 陈大斌, 王璋奇, 张子引, 杨永刚, 金逸, 田雷, 李本良, 刘学军, 卢飞, 刘颢 申请人:国家电网公司, 国网北京经济技术研究院, 江苏省电力公司