输电线路钢管杆连接法兰处的应力分析

【摘 要】本文应用ANSYS软件对钢管杆中刚性法兰的力学性能进行了分析，重点讨论了单元的选择、螺栓预紧力的模拟、弯矩的加载及接触分析中相关参数的设置问题。分析比较了法兰板厚度、主管厚度、肋板厚度对螺检受力的影响，证明了刚性法兰节点中的螺栓，在受力过程中弯曲明显。并在文章最后提出计算螺栓轴力的新的旋转轴位置，以便同行业人员借鉴。

【关键词】钢管杆法兰；ANSYS；应力分析

钢管杆因其具有节约土地资源、美化城市、施工方便等优点，在城郊高压输电线路等领域被广泛应用。由于钢管杆主要受弯，其节点法兰连接形式多为有肋法兰，因此，本文主要针对输电线路钢管杆的刚性法兰，通过ANSYS对钢管杆中法兰节点进行了弹塑性分析，重点研究了螺栓的受力并反推出了旋转轴的位置。并根据钢管杆的典型节点形式建立模型，其中弯矩M=1152kN.m，压力N=一94kN，基本参数见图l。

图1 刚性法兰的节点

法兰节点在进行设计时，螺栓轴力的确定是关键，在现行的有关规范中，都将螺栓作为受拉螺栓来设计。在计算螺栓轴力时，国标《架空送电线路钢管杆设计技术规定》中定义，螺栓群的旋转轴

与主管外壁相切，并按公式 来设计螺栓。其中

为最大受力螺栓的承受拉力， 为法兰的弯矩，y1为最大受力螺栓中心到旋转轴的距离， 是螺栓中心到旋转轴的距离，N为法兰的轴向作用力，n为螺栓数， 为螺栓承载力设计值。旋转轴是为计算螺栓力而假定的轴，并不是螺栓受力的分界线，也可以说是法兰板受力的合力作用线。由于法兰板受压区应力分布规律难以确定，因此从理论上说，该轴位置是很难确定的，而定在管外壁处也是最不保守的。

1 ANSYS中实现法兰节点

法兰节点属于典型的柔体面面接触方式，需设置接触对的有：法兰盘之间的接触，法兰盘分别与螺母、螺帽的接触。在法兰节点建模中，可选择Shell单元或Solid单元，实体单元模拟具有更高的精度，但需要的计算时间也更多，其模型的网格划分见图2所示。

图2 模型的网格划分

1.1 选择模型单元

在ANSYS中，模拟螺栓预紧力常见的有预紧力单元法、温度法和渗透接触算法，而用预紧单元模拟螺栓的预紧力较为简便，其分析结果与理论值最为接近，因此本文的模型采用此法来模拟螺栓的预紧力。

1.2 设置接触单元的相关参数

ANSYS提供了26个实常数和11个关键字来控制面―面接触单元的接触。对于法兰节点，除在选择壳单元建模时，将Keyopt（11）进行相应的设置外，其它大多数情况下选择默认设置即可。在接触问题分析中，罚刚度比例系数和拉格朗日乘子侵人比例系数，是影响计算收敛与否的最重要参数，FkN通常介于0.01～10，对于体积变形则取1，对于弯曲变形为主的，则取值0.1，FTOLN默认为0.1。需要注意的是，罚刚度太大或侵人容差太小，会使迭代数过多甚至不收敛，同时要选取足够大的接触刚度，保证接触渗透足够小。

1.3 模拟螺栓的预拉力

在施工过程中，为了使法兰盘接触紧密，钢管杆中的连接螺栓都需要预紧。由于法兰盘连接的螺栓主要承受拉力，施工时高空作业不便， 8.8级螺栓拧紧的初始应力，一般在螺栓屈服强度的10%左右，因此本文取70MPa，对应的预紧力为49400N。

1.4 加载弯矩

钢管杆中的法兰节点主要承受弯矩作用，在ANSYS有限元模拟中施加弯矩的方法有以下几种：基于表面边界法。该方法主要通过定义一个接触表面和一个目标节点接触来实现，弯矩荷载可以通过在目标节点上用“F”命令施加。使用这种方法，需要用KEYOPT （2）=2打开接触单元的MPC算法；利用MASS21单元和CERIG命令。主要是在构件中心部建立一个节点，定义为MASS21单元，利用CERIG命令跟其它受力节点偶合，形成刚性区域，再直接加弯矩到主节点；使用MPC184单元。在构件中心部位建立一个节点，跟其它受力节点分别形成多根刚性梁，从而形成刚性面，最后直接加载荷到中心节点上面；利用RBE3单元定义主节点，在节点上施加弯矩。利用MASS21较为简便，虽然这样在端面定义了一个刚性面，但由于法兰上部的主管取的较长，刚性面对法兰节点受力是没有影响的，故本文的模型均采用此方法施加弯矩。

2 对有限元结果进行分析

2.1螺栓群和法兰板的受力分界

图3a显示的是法兰盘的接触状态，图3b为法兰板的接触应力，可见与主管受压区相连的法兰板压应力最大。从这两图还可以得出，螺栓群受力的分界线在距断面形心不远的位置，大致在过中心线的第一个螺栓附近。

图3 法兰盘受力分界

2.2对螺栓受弯的探讨

以管外壁为旋转轴计算螺栓轴力，由国标《架空送电线路钢管杆设计技术规定》中的计算公式得出，法兰节点模型最大受力螺栓的理论值为391.8N/mm2。而有限元分析表明，刚性法兰节点在轴向力和弯矩作用下，是处于拉弯受力状态的，其中螺杆靠近主管壁侧的拉应力已经屈服，而远离主管壁侧的拉应力则很小甚至为零，因此螺栓的受力是非常不均匀的。在有限元建模时，考虑螺孔与螺杆的间距，即按照实际工程，建模时螺孔直径比螺杆直径大2mm。最终得出螺栓的应力云图如图4。

图4 螺栓应力云图

2.3比较和分析最大受力螺栓

从图4b的螺栓实体模型，可以判断最大受力螺栓的平均应力在450N/mm2左右，由于螺栓用Link10单元可以直接得出螺栓的轴力，所以本文用壳单元模型重点分析比较了法兰板厚度、主管厚度、肋板厚度对螺栓受力的影响，其分析结果表明，最大受力螺栓的应力都超过了理论计算值，大致在445N/mm2至479.6 N/mm2间，反推出旋转轴的位置在0.75～0.84r，考虑到实际工程中并没有出现法兰螺栓破坏的情况，最终将螺栓旋转轴的位置取在0.8r处。法兰板厚度、主管厚度、肋板厚度对螺栓受力的影响见表1。

部位 厚度 螺栓最大

轴力（N） 等效拉应力

（N/mm2） 旋转轴

位置 按国标计算的螺栓应力（N/mm2）

法兰板（mm） 18 249930 445.8 0.84r 391.8

20 262000 467.9 0.78r

24 265880 474.8 0.76r

主管（mm） 8 268880 479.6 0.75r 391.8

10 262000 467.9 0.78r

14 259170 462.5 0.795r

肋板 8 261380 466.3 0.785r 391.8

10 262000 467.9 0.78r

14 263490 470 0.775r

表1 法兰板厚度、主管厚度、肋板厚度对螺栓受力的影响

综上所述，在通过Ansys软件，分别采用壳单元、实体单元模型对钢管杆中的刚性法兰进行了分析后，得到如下结论：

（1）刚性法兰中的螺栓实际处于拉弯受力状态，目前国标《架空送电线路钢管杆设计技术规定》中将螺栓作为受拉螺栓来设计，是偏于不安全的。

（2）刚性法兰中螺栓群的受力分界线位置大致在主管中心线偏右一排螺栓附近。

（3）有限元分析表明，螺栓的最大拉力按管外壁为旋转轴来计算是偏于不安全的。为此，本文建议旋转轴的位置取在0.8r处，按照该旋转轴，本文模型的最大受力螺栓的内力将增大17.3%。

3 结束语

钢管杆由于其结构匀称、线条明快，配上机翼型的变截面箱型横担，动感十足，对周围的环境起到美化协调的作用。但在对钢管杆进行设计时，尤其是钢管杆的连接法兰，要注意优选设计参数，使钢管杆在满足承载要求的前提下，保证整体安全性和经济合理性，才能为城市建设的高速发展，用电负荷的迅速增加，体现出它存在的实际意义。

参考文献：

[1]架空送电线路钢管杆设计技术规定（DL/T5130-2001）[s].北京：中国电力出版社，2001.

[2]王颤成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

作者简介：

施振妹（1981年2月）女，汉族，大学专科，中级工程师，从事钢管杆制造技术工作。

高国清（1979年4月）男，汉族，大学专科，中级工程师，从事输电线路结构设计工作。