一种用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型技术

本发明专利技术公开了一种用于电缆敷设前的有限元分析方法，包括以下步骤：1)建立电缆仿真模型和实际弯曲工况的弯曲支撑件模型；2)对电缆仿真模型和弯曲支撑件模型分别进行设置模型的结构参数、定义材料属性的力学参数、设置界面相互接触条件及划分网格；3)根据模型边界条件施加网格约束，模拟外界载荷的方向、大小和约束，使网格节点发生位移，推导确定节点受到力与位移的关系；4)计算出侧压力大小分布，对结果进行后处理；5)判断结果是否符合要求。本发明专利技术解决的技术问题是提供一种能够提高电缆敷设时侧压力的计算效率，更为精准、直观的得到侧压力结果的用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型。方法及仿真模型。方法及仿真模型。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型


[0001]本专利技术涉及电缆制造及敷设施工
，特别是涉及一种用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型。

技术介绍

[0002]电力电缆线路作为城市电网的重要组成部分，在城市电网安全运行中发挥着重要的作用，相当于电网中的血管连接起各发电、输电、用电设备。电缆生产和敷设质量对电网工程能否顺利投入运行起着关键作用，一旦电缆出现异常无法正常运行，将直接给人民、社会以及国家带来损失。
[0003]由于电力电缆外径较大，运输、敷设较为困难，电力电缆对转弯半径的要求也比较严格。电力电缆在施工中，如果转弯角度过大，可能使导体内部受到机械损伤，而机械损伤导致电缆绝缘强度下降，直到出现故障。用机械敷设电缆时，应安装电缆牵引头，电缆牵引头根据导体受力部位的材料所承担牵引能力也有所不同，其中铜芯的最大牵引强度为70N/mm2，铝芯的允许牵引强度为40N/mm2。电缆敷设施工时应参照相应标准规定，在施工前应计算电缆上各点所受的侧压力。在生产及敷设过程中，若电缆弯曲半径过小，电缆结构所受侧压力较大，发生永久的塑性变形，严重时导致电缆破坏失效，无法使用；若弯曲半径大，则需要选择更大尺寸的电缆盘具，这也直接导致生产困难、转运困难、敷设空间受限等问题，提升操作难度和生产成本，同时也会使直接影响运输条件。
[0004]对于目前电缆敷设是侧压力的研究，多由传统的数值计算为主，计算侧压力时需综合考虑敷设弯曲程度、电缆垂直水平程度等，若想精准计算，计算量则相对较大，若进行近似计算，则会产生一定偏差。
[0005]因此，本领域技术人员致力于开发一种能够提高电缆敷设时侧压力的计算效率，更为精准、直观的得到侧压力结果的用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术公开了一种用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型，所要解决的技术问题是提供一种能够提高电缆敷设时侧压力的计算效率，更为精准、直观的得到侧压力结果的用于电缆敷设前的有限元分析方法及仿真模型。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于电缆敷设前的有限元分析方法，包括以下步骤：
[0008]1)按照实际电缆结构参数绘制电缆模型各层结构，在有限元软件中建立电缆仿真模型；根据电缆敷设的实际弯曲工况，在有限元软件中建立弯曲支撑件模型；
[0009]2)对所述电缆仿真模型和弯曲支撑件模型分别进行设置模型的结构参数、定义材料属性的力学参数、设置界面相互接触条件及划分网格；
[0010]3)根据模型边界条件施加网格约束，模拟外界载荷的方向、大小和约束，使网格节点发生位移，使用虚功方程将单元中节点的力和位移联系在一起，推导确定节点受到力与
位移的关系表达式如下：
[0011]{ξ}＝[B]{δ}
e
[0012]{δ}＝[D]{B}{δ}
e
＝[S][δ}
e
[0013]{P}
e
＝[K]e
[δ}
e
[0014][K]e
＝∫
v
[B]T
[D][B]dv
[0015][K]{δ}＝{P}
[0016]其中，{ξ}为单元内的应变阵列，[B]为几何矩阵，{δ}
e
为单元节点位移阵列，{δ}为单元内某点应力阵列，[D]为弹性矩阵，[S]为单元应力矩阵，[K]e
为单元刚度矩阵，[K]为总体刚度矩阵系数，{δ}表示为位移矩阵，{P}为节点载荷矩阵；
[0017]4)进行曲率半径的计算，通过各单元所受力除以曲率半径为侧压力，计算出侧压力大小分布，对结果进行后处理；
[0018]5)判断结果是否符合要求，当结果符合要求，输出结果及验证；当结果不符合要求，则需要重新建立电缆仿真模型和弯曲支撑件模型。
[0019]优选的，所述电缆敷设的实际弯曲工况为：电缆端头导体受到牵引沿固定方向前进，电缆在弯曲支撑件的作用下改变电缆的前进方向并发生弯曲产生侧压力。
[0020]优选的，所述需要定义材料属性的材料主要包括导体材料、绝缘材料、包带材料、铠装金属材料、护套材料，力学参数主要包括材料密度、杨氏模量、泊松比、塑性应变、塑性应力。
[0021]优选的，所述电缆最外层的网格尺寸和弯曲支撑件的网格尺寸一致，所有网格均采用二次模式。
[0022]优选的，所述电缆各层结构之间的接触设置为绑定，电缆和弯曲支撑件之间的接触设置为摩擦。摩擦系数为0.1，计算模式为广义拉格朗日法，法向刚度1.0，其余接触参数默认即可。
[0023]优选的，所述网格约束为在电缆的一端施加远程位移约束，远程点为端面的面心处，位移为分量形式，x、y、z方向的位移按照实际工况条件位移方向和大小设置，电缆尾端只允许y轴方向的平动，滑轮均为固定。
[0024]优选的，所述电缆的弯曲段的曲率半径计算，为通过在结果的变形图中选取至少三个点进行曲率半径的计算，定义结果侧压力为各单元所受力/曲率半径。
[0025]本专利技术还提供了一种用于电缆敷设前的有限元分析仿真模型，包括按照实际电缆结构尺寸绘制的电缆模型各层结构，还包括弯曲支撑件，所述弯曲支撑件为使电缆弯曲的滑轮和防止电缆弯曲时摆动的滑轮，全部所述滑轮结构为圆柱状，并设置为刚体。
[0026]优选的，所述电缆的结构为单芯电缆或多芯电缆。
[0027]优选的，所述电缆模型的长度为3000mm，所述滑轮的尺寸为Φ200*200mm。
[0028]本专利技术的有益效果是：
[0029]通过借鉴有限元仿真手段，同时还通过模拟敷设时电缆及弯曲支撑件的受力分析，能够提供一种衡量判断电缆敷设过程侧压力计算评估的新思路，能够进一步提高侧压力的计算效率，更为精准、直观的得到侧压力结果从而对敷设条件进行判断及优化，能够动态、全区域展示出电缆不同位置、不同工况、不同结构的弯曲侧压力范围。
附图说明
[0030]图1是本专利技术用于电缆敷设前的有限元分析方法的流程图；
[0031]图2是本专利技术用于电缆敷设前的有限元分析仿真模型的示意图；
[0032]图3是本专利技术具体实施方式的侧压力分布结果示意图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，需注意的是，在本专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]如图1所示，本专利技术提供了一种用于电缆敷设前的有限元分析方法，包括以下步骤：
[0035]1)按照实际电缆结构参数绘制电缆模型各层结构，在有限元软件中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电缆敷设前的有限元分析方法，其特征在于：包括以下步骤：1)按照实际电缆结构参数绘制电缆模型各层结构，在有限元软件中建立电缆仿真模型；根据电缆敷设的实际弯曲工况，在有限元软件中建立弯曲支撑件模型；2)对所述电缆仿真模型和弯曲支撑件模型分别进行设置模型的结构参数、定义材料属性的力学参数、设置界面相互接触条件及划分网格；3)根据模型边界条件施加网格约束，模拟外界载荷的方向、大小和约束，使网格节点发生位移，使用虚功方程将单元中节点的力和位移联系在一起，推导确定节点受到力与位移的关系表达式如下：{ξ}＝[B]{δ}
e
{δ}＝[D]{B}{δ}
e
＝[S]{δ}
e
{P}
e
＝[K]
e
{δ}
e
[K]
e
＝∫
v
[B]
T
D[D][B]dv[K]{δ}＝{P}其中，{ξ}为单元内的应变阵列，[B]为几何矩阵，{δ}
e
为单元节点位移阵列，{δ}为单元内某点应力阵列，[D]为弹性矩阵，[S]为单元应力矩阵，[K]
e
为单元刚度矩阵，[K]为总体刚度矩阵系数，{δ}表示为位移矩阵，{P}为节点载荷矩阵；4)进行曲率半径的计算，通过各单元所受力除以曲率半径为侧压力，计算出侧压力大小分布，对结果进行后处理；5)判断结果是否符合要求，当结果符合要求，输出结果及验证；当结果不符合要求，则需要重新建立电缆仿真模型和弯曲支撑件模型。2.如权利要求1所述的用于电缆敷设前的有限元分析方法，其特征在于：所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮康杰，詹陶，张亚，梁军令，程明亮，龚敏，杨海艳，刘世力，曹泽慧，
申请(专利权)人：重庆泰山电缆有限公司，
类型：发明
国别省市：