粘结层脱粘失效仿真分析范文

《电瓷避雷器杂志》2016年第二期

摘要：

采用基于内聚力裂缝模型（CCM）的有限元分析方法，模拟支柱式绝缘子的不同结构界面的力学特性，仿真再现了绝缘子受弯矩外载下界面脱粘失效的过程，并研究了粘结界面力学性能对绝缘子整体承载力的影响。分析表明，粘结层开裂过程可分为界面承载、界面开裂和裂纹扩展3个阶段；水泥粘结剂与金属基座的粘结层开裂时间早、脱粘速度快是绝缘子结构的薄弱环节；界面刚度、断裂能、极限强度的增加均能有效提高绝缘子的结构承载力，但随着承载力增加，破坏模型由界面脱粘变为水泥粘结剂受拉破坏。

关键词：

支柱式绝缘子；内聚力单元；界面开裂；失效仿真

绝缘子作为一种特殊的绝缘控件，以其体积小、绝缘强度高、耐污性能好等优点，被广泛应用在架空输电线路中。然而在其长期服役过程中不仅承受导线自身的重量、交流运行短路时的电动力，还需承受外界强风、地震等极端荷载，当支柱式绝缘子不能提供足够机械强度时，将对整个输变电工程的稳定性造成严重后果。目前为止，国内外专家学者在支柱式绝缘子的选料、生产到实验测试等各环节已经积累了丰富经验，形成了一整套行业规范[1]，但在理论研究方面，对绝缘子的各种失效形式仍无法给出合理的描述与预测。据统计[2]，支柱式绝缘子的失效形式以折断和开裂为主，其中以开裂形式破坏占62.1%，且开裂位置主要位于法兰与陶柱间的粘结剂层，粘结剂作为绝缘子的重要组成部分，其粘结强度对整体结构的力学性能、细微观损伤破坏机制都有着显著的影响。有限元方法作为应用最广、发展最快的一种数值算法，逐步应用于绝缘子的机械强度计算[3-5]和电磁仿真[6-7]中，笔者将采用基于最大主应力分离理论的内聚力单元方法，建立复合绝缘子的有限元模型，实现绝缘子粘结层开裂过程的仿真模拟，并以唐山地区某设备厂生产的户外耐污棒形支柱瓷绝缘子为实例，分析绝缘子开裂过程的主要影响因素，为绝缘子结构优化设计提供理论依据。

1绝缘子有限元模型建立

以某设备厂生产的户外耐污棒形支柱瓷绝缘子为例，以通用有限元软件Abaqus为平台，建立绝缘子界面开裂的有限元模型，模拟试件在弯矩荷载作用下的破坏过程，并利用Python语言对计算结果进行二次处理，获得单元破坏数目随加载时间的变化曲线，更直观地捕捉破坏瞬间胶结层内外界面的破坏状态。

1.1材料模型

1.1.1内聚力单元损伤模型应用数值方法研究裂缝扩展始于20世纪60年代[8]，至今已存在大量的数值方法用于模拟裂缝扩展，其中发展最早、应用最广的就是内聚力裂缝模型（CCM），结合有限元的内聚力界面单元（CIE）实现对延性和脆性材料的断裂模拟[9-10]。目前在内聚力模型基础上发展出多种本构关系，主要包括双线性、梯形、指数以及多项式关系。其中双线性模型简单、直观，能够兼顾计算精度和计算效率的要求，因此得到广泛应用。笔者采用双线性模型来模拟内聚力单元的损伤演化规律，以最大名义应力准则判断单元的初始损伤，随后通过计算损伤过程中所消耗的能量来定义损伤值的大小，实现界面层从弹性承载、初始损伤、损伤累积、脱粘破坏的整个过程。

1.1.2混凝土塑性损伤模型（CDP）笔者采用CDP模型描述水泥粘结剂的应力应变规律，其屈服函数由Lubliner[11]提出，并由Lee和Fenves[12]进行修正，屈服函数的效应力形式。

1.2模型建立及网格划分选取的支柱瓷绝缘子总高1500mm，陶柱直径210mm，伞裙直径360mm，金属法兰基座高150mm。由于本文分析绝缘子在弯矩作用下界面层的破坏问题，而整体模型关于弯矩所在平面对称，为减少运算时间，节约计算成本，可取绝缘子整体结构模型的1/2进行分析计算，见图1。模型主要由陶柱、水泥粘结剂、金属附件3部分组成。绝缘子模型包含两个粘结界面，分别为水泥粘结剂与瓷件的粘结层以及水泥粘结剂与金属法兰基座的粘结层。模型采用六面体网格划分，局部区域进行网格加密，共包含76950个节点、66930个单元。

1.3参数敏感性试验设计笔者侧重研究界面层脱离，因此对陶柱和法兰材料进行简化，采用弹性本构模型；混凝土粘结层采用CDP模型，其拉压塑性参数以及对应的损伤数据可根据规范[13]计算获得，基本材料参数取值见表1。内聚力单元则采用最大主应力损伤准则，材料模型中涉及的参数包含：密度、一个法向分离刚度、两个切向分离刚度、最大主应力以及3个方向对应的极限断裂能，其中密度和泊松比与粘结层材料一致，并假设3个方向刚度和极限断裂能相等，分析单元刚度、最大主应力、极限断裂能对界面破坏极限承载力的影响，通过设计参数敏感性试验，获得13组参数组合，见表2。

2仿真结果分析

对网格模型定义正确的单元类型，施加合适的边界条件，并在陶柱顶部截面耦合参考点，施加水平位移荷载，提交计算可获得不同参数组合下绝缘子界面层的破坏过程。图2为仿真模拟和实验测试获得绝缘子破坏情况对比，均为粘结层与外部金属附件间界面脱离而造成的绝缘子失效。

2.1绝缘子破坏过程分析为模拟绝缘子界面断裂效果，需在绝缘子的不同材料连接位置定义一层零厚度内聚力单元。当绝缘子顶部施加水平荷载、金属附件底部固定时，在胶结位置产生弯矩作用，绝缘子底部胶结层前后两端产生方向相反的纵向作用力，以抵抗弯矩作用，此阶段可称为界面承载阶段；随着外载荷的增加，界面间剪应力也逐渐增加，当剪应力达到极限剪应力时，界面开始破坏，为临界承载阶段；随着界面单元的逐渐破坏，部分弹性能释放，加速界面破坏进度，导致界面裂缝扩展阶段时间非常短，与实验结果一致。图3为绝缘子不同承载阶段，内、外界面单元的破坏情况，当处于界面承载阶段，内外界面单元均未发生大范围破坏，且损伤主要位于界面单元边界，主要由边缘的界面单元承受剪切应力。在界面裂缝扩展阶段，损伤仍然集中在未破坏界面层边界位置，同时内、外界面单元的破坏方向相反，其中外层界面单元沿作用力方向开始破坏，导致粘结层与金属附件脱离，与图2中绝缘子破坏模式一致。

2.2界面开裂与结构承载力的关系运用Python语言对Abaqus计算结果进行二次开发处理，获得内、外界面单元失效单元数目随加载时间的历程曲线，见图4。当外载较小时，处于界面承载阶段，少量单元失效；当外载增加到极限承载位置时，破坏单元数迅速增加，绝缘子承载力急剧下降而导致结构整体破坏。

2.3界面力学参数对结构承载力的影响本节主要分析界面单元力学参数对结构承载力的影响，共设计13组参数组合，其中第一组参数采用相同的单元刚度、不同的极限应力，应力应变曲线见图5，损伤段的下降斜率相等。图6为不同组合参数下绝缘子极限承载力，当界面单元极限应力小于粘结层混凝土抗拉强度（8MPa）时，结构承载力随极限应力增加而线性增加，继续增加界面极限应力，对结构承载力的增加贡献变小，因为结构的失效形式转变为粘结层混凝土的拉伸破坏。第2组参数分析相同单元刚度、极限应力、不同断裂能对结构承载力的影响规律。各组界面单元的应力应变曲线见图7，获得结构承载力曲线见图8，结构承载力随断裂能增加而增加。这是由于断裂能的增加，极限应变相应增加，极限增加界面层内承受弯矩的边界剪力层厚度。第3组参数分析相同断裂能、不同单元刚度、不同极限应力情况对结构承载力的影响规律。各组界面单元的应力应变曲线见图9，断裂能均取为3.556J/m2，随单元刚度和极限应力增加，极限应变减小，而结构承载力逐渐增加，增大趋势变小，见图10。通过3组参数，分析了界面断裂能、界面刚度、极限应力强度对结构承载力的影响，其中断裂能表征界面破坏时吸收能量的情况，为界面应力应变曲线与横坐标所围三角形面积；刚度则为界面抵抗滑移错位的能力，刚度越大，相同变形情况下界面应力也越大；极限应力则代表界面的极限破坏强度，是判断单元是否发生损伤的直接指标；极限应变则判定界面是否完全破坏，也是界面延性的一种表征。由分析可知，提高界面断裂能、极限应力、极限应变，均能在一定程度下增加绝缘子的承载能力，而界面刚度的影响相对较小。为提高绝缘子抵抗界面脱粘失效的能力，可采用强粘结性、高吸能的延性混凝土作为陶柱与金属法兰间的填充材料，通过增加剪切应力带宽度，提高绝缘子的整体承载能力。

3结论

利用基于内聚力模型的界面单元模拟支柱式绝缘子粘结界面的力学行为，建立了绝缘子三维有限元模型，再现了绝缘子受载情况下，水泥粘结界面开裂导致绝缘子结构破坏的完整过程，同时进行了界面力学参数的敏感性分析，得出以下结论：1）绝缘子粘结界面开裂过程可分为3个阶段：界面承载阶段、界面开裂阶段和界面裂纹扩展阶段；2）绝缘子受水平外载时，内、外粘结层均出现脱粘开裂现象，开裂方向相反，并随着开裂裂纹的扩展演化最终导致绝缘子整体结构破坏失效；3）绝缘子外粘结层完全脱粘所需时间较短，粘结界面开裂速度快，属于绝缘子整体结构的薄弱环节，在设计优化与生产工艺中应给予足够重视；4）通过对界面力学参数的敏感性分析，获得极限应力、断裂能、极限应变、界面刚度的影响规律，并指出：为提高绝缘子抵抗界面脱粘失效的能力，可采用强粘结性、高吸能的延性混凝土作为陶柱与金属法兰间的填充材料，通过增加剪切应力带宽度，从而提高绝缘子的整体承载能力。

作者：马艳枝 张艳红 刘占民 单位：中国水科院 工程抗震研究中心 唐山欧伦特高压电瓷有限公司