聚氨酯复合材料电杆的结构设计与分析

一、问题的提出

1.混凝土电杆的优缺点

混凝土因其价格低廉、绝缘性能好、无需维护而广泛用作电杆。

但混凝土属于脆性材料，抗拉强度低，使电杆的抗弯、抗震性能和抗冲击性能差，在台风作用时，极易损坏，造成经济损失和人员伤害，也造成了供电中断与电力维修困难。

混凝土结构重量大，运输与安装也不方便。

2.聚氨酯树脂的特点

聚氨酯（PU）的分子结构中含有氨基甲酸酯基团（—NH—COO—），拥有良好的力学性能（轻质高强高模量，断裂延伸率大，耐冲击），优异的耐酸碱、紫外线和大气老化性能；成型方便、环保（无苯乙烯挥发）。

纤维缠绕聚氨酯复合材料电杆的优越性能：

1）质量轻，容易运输、搬运和安装；

2）弯曲强度大，断裂延伸率大，抵抗台风等的弯曲应力；绝缘性能好；

3）耐候性能好，抵抗风吹日晒等恶劣环境。

二、聚氨酯复合材料电杆的结构设计

1. 复合材料产品设计特点：材料结构设计一体化。

1）性能设计

充分考虑最终产品的使用目的和使用条件，使设计出复合材料产品与设计要求相同。

2）结构设计

强度、刚度与稳定性计算。根据所承受的载荷及使用环境，设计出确保材料安全可靠经济的结构尺寸。是选用不同材料，结合工艺，在各种载荷组合工况下的力学计算与铺层的反复过程。

3）工艺设计

应尽可能使结构成型方便、成本低廉。

这三者相互关联，不能截然分开。结构设计包含了材料设计的所有内容，是复合材料产品合理设计和降低成本的关键。

2. 复合材料电杆的结构设计特点与必要性

1）虽然电杆的几何形状简单，但和所有复合材料结构一样，材料为各向异性材料，极具可设计性。

2）电杆具有较大的锥度：1/75；缠绕工艺和等直杆不同，使得结构设计中不同截面的材料参数和几何参数不同。事实上，工艺参数的不同，导致材料的力学性能不同，也导致结构力学行为的迥异。——可设计性

3）规范中要求复合材料电杆的力学性能指标相对较高，需要在满足工艺条件，进行严格的铺层设计才能达到。

4）复合材料电杆的承载力一般需要实验确定。如何根据承载力的需要进行结构设计，做到主动设计与优化设计。这是复合材料结构设计的最高境界。

3. 缠绕式聚氨酯复合材料电杆的结构设计

1）准备工作：由设计条件：气候条件（如温湿度等）、荷载、长度等，初步选择电杆的标准荷载级别、制造工艺和原材料。

以12m长、M级的电杆为例，以聚氨酯树脂与E玻璃纤维为基体和增强纤维，采用定长缠绕成型工艺制作。

2）初步铺层设计：为达到标准要求的力学性能参数，进行初步的铺层设计。

注意：因为电杆存在锥度，各处的厚度是不相等的！

单层材料的力学性能由实验得到，或者在实验基础上的理论计算得到；根据经典层合板理论得到层合板的力学性能参数，同时应根据生产企业的工艺水平，结合实验结果进行适当调整。

3）结构计算：建立电杆结构的有限元模型，进行设计承载力作用下的结构计算与分析。必要时调整铺层设计。

有限元法是结构分析的强有力的工具。

ANSYS是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型计算机辅助设计软件，为工程界和学术界普遍应用。在复合材料及其结构的研究、分析、数值模拟中得到了广泛的应用。

由于复合材料材料的各向异性及复合材料结构的复杂性，采用有限元方法是目前最有效的分析计算方法。

利用有限元方法可以计算复合材料结构中任意点任意铺层的各个方向的应力、应变以及位移，或者其他力学响应，给出全场显示；并且选用强度准则进行强度分析。

有限元分析的目的及作用

对复合材料结构的实际服役状态进行模拟；包括结构的材料组成、几何形状与尺寸、荷载、附属设备等复杂情况，使计算模型尽可能与实际结构一致。

对复合材料结构的应力、应变、变形、稳定性、动力特性等进行计算分析；由此，对复合材料结构设计进行校核和修改。

模拟实际工况，进行复合材料结构的虚拟制造，由此进行复合材料新产品开发。

对结构进行优化设计，在确保安全可靠前提下降低成本。

约束与载荷

承载力实验中轴向应力云图

挠度云图

改变铺层参数，电杆的应力与变形就会相应改变，所以可以根据设计条件和使用要求进行复合材料的结构设计。由此可以进行择优或优化设计。

4）根据用户要求，进行其他载荷工况下的电杆力学性能计算，如风载作用下、地震载荷作用下的结构强度、刚度与稳定性分析，最终的目的是我们设计的电杆既满足规范要求，也要满足用户的要求，使我们设计生产的复合材料产品安全服役。

其他复合材料结构的有限元设计举例

例1 核电站烟囱：直接建模

拉杆连接

支撑架

支撑架与烟囱连接

管道间的软管连接

烟囱的不同截面（铺层、材料、壁厚等参数）

2. 叶片材料性能的有限元模型

荷载

例：仍以某核电站旁的3米直径烟囱为例进行说明：计算在受到龙卷风袭击时的风压：

龙卷风的最大风速： 80米/秒；最大旋转半径：98米；

不同的风向所引起的烟囱不同部位的风压效应不同

烟囱中部的风载计算

0度攻角中部烟囱及反应壳整体速度分布图

0度攻角中部烟囱及反应壳整体压强图

将以上FLUENT计算风压结果，导入到MATLAB中，进行函数拟合。

将风压以函数形式施加到烟囱相应节点上，模拟风对烟囱的风载效应。

自重+ 90攻角风载作用下的计算模型图

结构失效判断准则

有限元方法可用有不同的结构失效判断准则。例如，可以按照强度、刚度（变形）、稳定等问题选择不同的安全系数；

强度分析除选择安全系数外，可按照强度比的方法来判断结构是否失效。

强度分析准则－强度比

由Tsai-Wu应力准则演化而来的。该准则一个重要的特征是：考虑了结构复杂应力状态，以及复合材料力学性能，尤其是考虑了拉伸强度与压缩强度的区别 。

 图中列举了复合材料层合壳中某结构层的强度比倒数分布云图，其中最小的强度比为：R =2.33 > 1.6

风力叶片主梁的强度比

最大强度比倒数为0.117828，也即最小强度比为8.5，位于主梁层上。

DN24000-5000m3大型立式贮罐

喷淋管有限元模型

喷淋管某种工况下的强度比倒数

风力叶片结构的稳定性计算分析

玻璃钢电解槽

长：12米

宽：8米

大型电解槽的有限元计算模型

地下贮罐

变形计算

环向应变

稳定性计算

结语

复合材料结构设计与计算分析是一项多学科的复杂工作，必须与原材料、制备工艺、结构实验等结合起来。

复合材料结构设计与计算分析无疑将会使制品的设计更加科学、更加经济。它在复合材料行业中起到了关键性的不可替代的作用，也将为复合材料工业的发展起到重要作用。

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