粘結層脫粘失效仿真分析范文

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《電瓷避雷器雜志》2016年第二期

摘要：

采用基于內聚力裂縫模型（CCM）的有限元分析方法，模擬支柱式絕緣子的不同結構界面的力學特性，仿真再現了絕緣子受彎矩外載下界面脫粘失效的過程，并研究了粘結界面力學性能對絕緣子整體承載力的影響。分析表明，粘結層開裂過程可分為界面承載、界面開裂和裂紋擴展3個階段；水泥粘結劑與金屬基座的粘結層開裂時間早、脫粘速度快是絕緣子結構的薄弱環節；界面剛度、斷裂能、極限強度的增加均能有效提高絕緣子的結構承載力，但隨著承載力增加，破壞模型由界面脫粘變為水泥粘結劑受拉破壞。

關鍵詞：

支柱式絕緣子；內聚力單元；界面開裂；失效仿真

絕緣子作為一種特殊的絕緣控件，以其體積小、絕緣強度高、耐污性能好等優點，被廣泛應用在架空輸電線路中。然而在其長期服役過程中不僅承受導線自身的重量、交流運行短路時的電動力，還需承受外界強風、地震等極端荷載，當支柱式絕緣子不能提供足夠機械強度時，將對整個輸變電工程的穩定性造成嚴重后果。目前為止，國內外專家學者在支柱式絕緣子的選料、生產到實驗測試等各環節已經積累了豐富經驗，形成了一整套行業規范[1]，但在理論研究方面，對絕緣子的各種失效形式仍無法給出合理的描述與預測。據統計[2]，支柱式絕緣子的失效形式以折斷和開裂為主，其中以開裂形式破壞占62.1%，且開裂位置主要位于法蘭與陶柱間的粘結劑層，粘結劑作為絕緣子的重要組成部分，其粘結強度對整體結構的力學性能、細微觀損傷破壞機制都有著顯著的影響。有限元方法作為應用最廣、發展最快的一種數值算法，逐步應用于絕緣子的機械強度計算[3-5]和電磁仿真[6-7]中，筆者將采用基于最大主應力分離理論的內聚力單元方法，建立復合絕緣子的有限元模型，實現絕緣子粘結層開裂過程的仿真模擬，并以唐山地區某設備廠生產的戶外耐污棒形支柱瓷絕緣子為實例，分析絕緣子開裂過程的主要影響因素，為絕緣子結構優化設計提供理論依據。

1絕緣子有限元模型建立

以某設備廠生產的戶外耐污棒形支柱瓷絕緣子為例，以通用有限元軟件Abaqus為平臺，建立絕緣子界面開裂的有限元模型，模擬試件在彎矩荷載作用下的破壞過程，并利用Python語言對計算結果進行二次處理，獲得單元破壞數目隨加載時間的變化曲線，更直觀地捕捉破壞瞬間膠結層內外界面的破壞狀態。

1.1材料模型

1.1.1內聚力單元損傷模型應用數值方法研究裂縫擴展始于20世紀60年代[8]，至今已存在大量的數值方法用于模擬裂縫擴展，其中發展最早、應用最廣的就是內聚力裂縫模型（CCM），結合有限元的內聚力界面單元（CIE）實現對延性和脆性材料的斷裂模擬[9-10]。目前在內聚力模型基礎上發展出多種本構關系，主要包括雙線性、梯形、指數以及多項式關系。其中雙線性模型簡單、直觀，能夠兼顧計算精度和計算效率的要求，因此得到廣泛應用。筆者采用雙線性模型來模擬內聚力單元的損傷演化規律，以最大名義應力準則判斷單元的初始損傷，隨后通過計算損傷過程中所消耗的能量來定義損傷值的大小，實現界面層從彈性承載、初始損傷、損傷累積、脫粘破壞的整個過程。

1.1.2混凝土塑性損傷模型（CDP）筆者采用CDP模型描述水泥粘結劑的應力應變規律，其屈服函數由Lubliner[11]提出，并由Lee和Fenves[12]進行修正，屈服函數的效應力形式。

1.2模型建立及網格劃分選取的支柱瓷絕緣子總高1500mm，陶柱直徑210mm，傘裙直徑360mm，金屬法蘭基座高150mm。由于本文分析絕緣子在彎矩作用下界面層的破壞問題，而整體模型關于彎矩所在平面對稱，為減少運算時間，節約計算成本，可取絕緣子整體結構模型的1/2進行分析計算，見圖1。模型主要由陶柱、水泥粘結劑、金屬附件3部分組成。絕緣子模型包含兩個粘結界面，分別為水泥粘結劑與瓷件的粘結層以及水泥粘結劑與金屬法蘭基座的粘結層。模型采用六面體網格劃分，局部區域進行網格加密，共包含76950個節點、66930個單元。

1.3參數敏感性試驗設計筆者側重研究界面層脫離，因此對陶柱和法蘭材料進行簡化，采用彈性本構模型；混凝土粘結層采用CDP模型，其拉壓塑性參數以及對應的損傷數據可根據規范[13]計算獲得，基本材料參數取值見表1。內聚力單元則采用最大主應力損傷準則，材料模型中涉及的參數包含：密度、一個法向分離剛度、兩個切向分離剛度、最大主應力以及3個方向對應的極限斷裂能，其中密度和泊松比與粘結層材料一致，并假設3個方向剛度和極限斷裂能相等，分析單元剛度、最大主應力、極限斷裂能對界面破壞極限承載力的影響，通過設計參數敏感性試驗，獲得13組參數組合，見表2。

2仿真結果分析

對網格模型定義正確的單元類型，施加合適的邊界條件，并在陶柱頂部截面耦合參考點，施加水平位移荷載，提交計算可獲得不同參數組合下絕緣子界面層的破壞過程。圖2為仿真模擬和實驗測試獲得絕緣子破壞情況對比，均為粘結層與外部金屬附件間界面脫離而造成的絕緣子失效。

2.1絕緣子破壞過程分析為模擬絕緣子界面斷裂效果，需在絕緣子的不同材料連接位置定義一層零厚度內聚力單元。當絕緣子頂部施加水平荷載、金屬附件底部固定時，在膠結位置產生彎矩作用，絕緣子底部膠結層前后兩端產生方向相反的縱向作用力，以抵抗彎矩作用，此階段可稱為界面承載階段；隨著外載荷的增加，界面間剪應力也逐漸增加，當剪應力達到極限剪應力時，界面開始破壞，為臨界承載階段；隨著界面單元的逐漸破壞，部分彈性能釋放，加速界面破壞進度，導致界面裂縫擴展階段時間非常短，與實驗結果一致。圖3為絕緣子不同承載階段，內、外界面單元的破壞情況，當處于界面承載階段，內外界面單元均未發生大范圍破壞，且損傷主要位于界面單元邊界，主要由邊緣的界面單元承受剪切應力。在界面裂縫擴展階段，損傷仍然集中在未破壞界面層邊界位置，同時內、外界面單元的破壞方向相反，其中外層界面單元沿作用力方向開始破壞，導致粘結層與金屬附件脫離，與圖2中絕緣子破壞模式一致。

2.2界面開裂與結構承載力的關系運用Python語言對Abaqus計算結果進行二次開發處理，獲得內、外界面單元失效單元數目隨加載時間的歷程曲線，見圖4。當外載較小時，處于界面承載階段，少量單元失效；當外載增加到極限承載位置時，破壞單元數迅速增加，絕緣子承載力急劇下降而導致結構整體破壞。

2.3界面力學參數對結構承載力的影響本節主要分析界面單元力學參數對結構承載力的影響，共設計13組參數組合，其中第一組參數采用相同的單元剛度、不同的極限應力，應力應變曲線見圖5，損傷段的下降斜率相等。圖6為不同組合參數下絕緣子極限承載力，當界面單元極限應力小于粘結層混凝土抗拉強度（8MPa）時，結構承載力隨極限應力增加而線性增加，繼續增加界面極限應力，對結構承載力的增加貢獻變小，因為結構的失效形式轉變為粘結層混凝土的拉伸破壞。第2組參數分析相同單元剛度、極限應力、不同斷裂能對結構承載力的影響規律。各組界面單元的應力應變曲線見圖7，獲得結構承載力曲線見圖8，結構承載力隨斷裂能增加而增加。這是由于斷裂能的增加，極限應變相應增加，極限增加界面層內承受彎矩的邊界剪力層厚度。第3組參數分析相同斷裂能、不同單元剛度、不同極限應力情況對結構承載力的影響規律。各組界面單元的應力應變曲線見圖9，斷裂能均取為3.556J/m2，隨單元剛度和極限應力增加，極限應變減小，而結構承載力逐漸增加，增大趨勢變小，見圖10。通過3組參數，分析了界面斷裂能、界面剛度、極限應力強度對結構承載力的影響，其中斷裂能表征界面破壞時吸收能量的情況，為界面應力應變曲線與橫坐標所圍三角形面積；剛度則為界面抵抗滑移錯位的能力，剛度越大，相同變形情況下界面應力也越大；極限應力則代表界面的極限破壞強度，是判斷單元是否發生損傷的直接指標；極限應變則判定界面是否完全破壞，也是界面延性的一種表征。由分析可知，提高界面斷裂能、極限應力、極限應變，均能在一定程度下增加絕緣子的承載能力，而界面剛度的影響相對較小。為提高絕緣子抵抗界面脫粘失效的能力，可采用強粘結性、高吸能的延性混凝土作為陶柱與金屬法蘭間的填充材料，通過增加剪切應力帶寬度，提高絕緣子的整體承載能力。

3結論

利用基于內聚力模型的界面單元模擬支柱式絕緣子粘結界面的力學行為，建立了絕緣子三維有限元模型，再現了絕緣子受載情況下，水泥粘結界面開裂導致絕緣子結構破壞的完整過程，同時進行了界面力學參數的敏感性分析，得出以下結論：1）絕緣子粘結界面開裂過程可分為3個階段：界面承載階段、界面開裂階段和界面裂紋擴展階段；2）絕緣子受水平外載時，內、外粘結層均出現脫粘開裂現象，開裂方向相反，并隨著開裂裂紋的擴展演化最終導致絕緣子整體結構破壞失效；3）絕緣子外粘結層完全脫粘所需時間較短，粘結界面開裂速度快，屬于絕緣子整體結構的薄弱環節，在設計優化與生產工藝中應給予足夠重視；4）通過對界面力學參數的敏感性分析，獲得極限應力、斷裂能、極限應變、界面剛度的影響規律，并指出：為提高絕緣子抵抗界面脫粘失效的能力，可采用強粘結性、高吸能的延性混凝土作為陶柱與金屬法蘭間的填充材料，通過增加剪切應力帶寬度，從而提高絕緣子的整體承載能力。

作者：馬艷枝 張艷紅 劉占民 單位：中國水科院 工程抗震研究中心 唐山歐倫特高壓電瓷有限公司