一种获取电缆中间接头振动特性的仿真分析方法

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明属于电缆中间接头振动特性仿真分析领域，特别涉及一种获取电缆中间接头振动特性的仿真分析方法。背景技术：2.随着我国城市化进程的快速发展，城市地下电缆用量逐年增加，其安全稳定性对城市正常运转至关重要。受生产工艺、安装条件限制，安装好的电缆存在很多接头，在所有电缆故障中，接头故障占比在50％以上。故障原因之一就是长期运行过程中，电缆中电流导致缆体电致振动，加之车辆通行等其他外部振源激励作用，电缆接头会产生共振，长期作用对电缆中间接头内部结构造成破坏。3.这种振动可能是间歇性的，不易被发现，如果能分析其振动特征，利用有效的振动测量手段对其进行监测，及时发现并进行防治，就能够有效的防止事故的发生。4.电缆中间接头采用多层结构，现场直接测量其振动特性，不仅成本高，而且检测较为困难。如何准确、高效地获取电缆中间接头的振动特性是一项亟待解决的问题。5.目前，研究人员采用的方法是在现场对电缆中间接头进行检测，研究其振动特性。该种方法花费的时间较长，成本较高，实验难度较大。6.针对以上问题，本发明提出了一种获取电缆中间接头振动特性的仿真分析方法，既能提高故障判断的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点，实现电缆中间接头振动特性的获取和分析。技术实现要素：7.本发明的目的在于，提出一种获取电缆中间接头振动特性的仿真分析方法，用于解决电缆中间接头振动特性获取和分析时成本高、实验困难等问题。8.为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是一种获取电缆中间接头振动特性的仿真分析方法，其特征是所述方法包括：9.步骤1：测量电缆中间接头的结构尺寸，利用有限元分析法建立电缆中间接头的几何模型，设置材料参数、单元类型，进行网格划分，具体方法如下：10.(1)确定电缆中间接头的类型，根据其结构特征，分别测量电缆中间接头每一部分的径向和轴向尺寸；11.(2)使用有限元仿真软件，根据电缆中间接头的结构尺寸，按照从里到外的顺序建立电缆中间接头的几何模型；12.(3)根据电缆中间接头每一部分的材料，分别设置几何模型中各结构组件的弹性模量、泊松比以及材料密度；设置电缆中间接头的单元类型；13.(4)使用扫略法，针对电缆中间接头不同部分的结构特点，进行网格划分；14.步骤2：对电缆中间接头有限元模型进行模态分析和谐响应分析，具体方法如下：15.(1)在电缆中间接头的两端施加全约束载荷，进行完全约束；16.(2)在有限元仿真软件中，设置求解类型为模态分析，设置模态提取方法为block lanczos，根据模型复杂度设置模态提取阶数为8～15，之后进行求解，得到电缆中间接头的固有频率范围；17.(3)设置电缆中间接头的谐响应频率范围等于模态分析中得出的固有频率范围，定义谐响应分析求解类型为完全法，进行求解；18.步骤3：在电缆中间接头的模态分析和谐响应分析的基础上，对其进行振动分析和共振分析，具体方法如下：19.(1)从电缆中间接头模态分析出计算出的多个固有频率中，找出最低的频率值，最为低频振动载荷；20.(2)在有限元分析软件上，分别创建低频振动载荷下的电致振动载荷，激活载荷，施加到电缆的一端；求解方式选择瞬态求解，选择大应变求解方式，设置载荷步，进行求解；21.(3)在时间后处理器中查看求解结果；在轴向和径向上分别选取电缆中间接头振动关键位置的点进行提取，导出相关位置点的振动数据；画出时间-加速度振动波形，使用fft变换画出频域图；22.(4)从谐响应分析得出的多个共振频率点中选取最小的频率值作为最低共振频率，施加该频率的振动载荷并求解，方法与步骤3中(1)、(2)、(3)相同；23.步骤4：分析仿真结果，获得电缆中间接头的振动时频特征，具体方法如下：(1)观察求解结果中的加速度云图，选取电缆中间接头振动特征明显的区域进行分析，提取振动数据，画出以x轴为时间，y轴为距离间隔，z轴为振动幅度的振动波形和共振波形，对比分析两种波形的振动特征。24.(2)在电缆中间接头的振动数据的基础上进行频域变换，以x轴为频率，y轴为距离间隔，z轴为幅度画出频域变换图，找到最大幅值点以及对应的频率，对比分析正常振动和共振下的曲线特征。25.所述电缆中间接头的设计和建模，应使用具有振动分析功能的有限元软件或自行设计的程序，包括但不限于ansys、adina、abaqus、msc、matlab等。26.所述在电缆中间接头的振动数据的基础上进行频域变换，该频域变换包括但不限于fft、小波变换等。27.本发明的有益效果：1、本发明充分利用有限元分析方法中多种算法的特点，可准确地获取电缆中间接头的模态分析数据、谐响应分析数据、共振数据；2、本发明克服了利用实体实验困难大的缺点；3、本发明提出的振动特性仿真分析方法，参数设置灵活，工作效率高。附图说明28.图1电缆中间接头振动特性有限元分析方法流程图29.图2电缆中间接头剖面示意图30.图3电缆中间接头安装工况图31.图4电缆接头几何模型32.图5电缆中间接头整体网格划分33.图6电缆中间接头轴向谐响应分布图34.图7不同位置处圆周上各点的谐响应图35.图8电致振动下电缆接头振动时域图36.图9电致振动下电缆接头振动频谱图37.图10电缆中间接头共振时域图38.图11电缆中间接头共振频域图具体实施方式39.本发明给出的电缆中间接头振动特性的仿真分析方法流程图如图1所示。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：40.1、根据现场实际电缆中间接头实物，建立其有限元模型，添加材料参数。41.在ansys有限元软件中，根据图2～图4中电缆中间接头的结构尺寸，按照从里到外的顺序建立有限元模型。根据电缆中间接头每一层的不同材料类型，施加相应的弹性模量、泊松比和密度，如下表1所示：42.表1电缆中间接头结构及材料参数[0043][0044]2、对电缆中间接头的有限元模型进行单元类型设置和网格划分，如图5所示。[0045]在单元类型的设置中选择solid186单元，solid186单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，具有二次位移模式，能够更好地模拟不规则的网格。该单元通过20个节点进行定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，具有任意的空间各向异性，能支持大形变和大应变能力。[0046]电缆中间接头每一层的结构不同，对网格的要求也不同，网格稀疏程度不同。对电缆中间接头从内到外逐层划分，保证相邻层节点一一对应、网格规整，以提高计算的精准度。[0047]3、对电缆中间接头有限元模型进行模态分析。利用模态分析可以求解出电缆中间接头在振动条件下的固有频率和振型，为电缆中间接头的谐响应分析和振动分析提供载荷数据。针对电缆中间接头的复杂性，根据振动理论，将其分成15阶模态即可全面获得其固有频率和振型。[0048]在ansys中求解各阶固有频率及振型如表2所示。由表中数据可知，电缆中间接头的固有频率分布在300～2200hz之间，振型在xy、yz和xz平面都有分布。模态分析得出的固有频率可用于谐响应分析，以找出共振频率。[0049]表2电缆中间接头模态分析结果[0050]模态阶数固有频率/hz振型模态阶数固有频率/hz振型1314.54xy平面91166.90yz平面2341.69xy平面101506.00yz平面3385.20yz平面111590.40xy平面4399.89xz平面121833.20xy平面5579.40yz平面131891.20yz平面6675.83xz平面142103.40xy平面7696.13xz平面152191.30xz平面81165.30xy平面ꢀꢀꢀ[0051]电缆中间接头有限元模型模态求解的具体过程：设置求解类型为模态分析，在按ansys有限元上依次选择main menu，solution，analysistype，new analysis在弹出的对话框中选择modal。[0052]设置模态分析选项。在ansys上依次选择main menu，solution，analysis type，analysis options。弹出模态分析(model analysis)对话框，设置模态提取方法为block lanczos，在no.of modes to extract选项中设置模态提取阶数为15，勾选pstres选项，设置为预应力模态，点击ok，保持弹出block lanczos方法对话框的默认设置，点击ok。进行求解。[0053]4、对电缆中间接头有限元模型进行谐响应分析。[0054]模态求解完成之后，对其进行谐响应求解，具体方法如下：定义求解类型，main menu，solution，analysis type，new analysis；在弹出的对话框中选择harmonic；设置谐响应分析选项，main menu，solution，analysis type，analysis options；之后弹出谐响应分析(harmonic analysis)对话框，在hropt选项中设置求解方法为完全法full，其他选项为默认设置，点击ok；保持弹出对话框的默认设置，点击ok；定义载荷步选项，定义输出每一个子步，main menu，solution，load step opts，output ctrls，db/results file，在弹出的对话框中的freq选项设置every substep，点击ok；定义求解频率范围，main menu，solution，load step opts，time/freqenc，freq and substps，在弹出的对话框中输入模态分析中得出的固有频率范围，点击ok，进行求解。[0055]在ansys中，设置电缆中间接头材料参数，采用full完全法对其进行谐响应分析，施加模态分析中获得的频率范围300-2200hz。从求解结果中，提取图5中1～9号位置处的最大位移数据，绘制位移随频率变化的曲线，如图6所示。由图可见，电缆中间接头沿轴向的谐响应曲线分布形状基本一致，在376hz，680hz，870hz，1212hz，1782hz和2124hz六个频率点上，位移有不同程度的突变，根据振动理论，这些频点即为共振频率点。如果接头受到共振频率点的外部激励，即使激励驱动力很小，也能产生很大的振动，可能对系统产生破坏。[0056]为了更全面地分析接头的振动特性，分别在1～9号位置处的圆周上等间隔的选取4个点p1～p4，提取其位移数据，并将它们绘制成三维曲线，如图7所示。由图可见，对于某一个位置处，其圆周上的共振频率点基本一致，但每个共振频点的位移幅度差异较大，也就是说，圆周上不同位置处产生最大幅度振动的共振频率是不一样的。因此，若想有效监测共振，必须在圆周上多点布置传感器。对于1～9号不同位置，其振动幅度有的在低频处较大，有的在高频处较大，有的分布在低频和高频两端。因此，应选用宽频率范围的振动监测传感器才能覆盖所有振动频率。总体来看，接头中间位置的振动幅度明显大于两端，但两端有部分频点振动幅度很大，传感器宜采用分布式多点方式。[0057]具体来看，1～4号位置所在圆周上各点的共振频率基本一致，幅频分布也基本一致，大致表现为低频幅度较小、高频幅度较大。5号位置和9号位置的p2和p3出现了1900hz频率分量，但是幅度很小，说明在电缆中间接头压接位置和振源施加处可能会出现新的频率分量，由于其出现概率较小，不考虑作为共振频率，但在实际监测中可以关注。6～8号位置发生共振的频率点与1～4号位置基本一致。[0058]5、在电缆中间接头上分别施加50hz、100hz的常规振动载荷，分别进行求解。[0059](1)在施加电缆振动载荷之前，在电缆两端施加全约束法约束载荷，用来仿真实际应用中的固定夹具。[0060](2)加载50hz振动载荷：首先创建振动载荷，进入ansys界面，打开solution，选择apply，打开function，define/edit，设置50hz振动载荷，创建名称f50保存；然后点击read file读取振动载荷，创建名称f50保存；最后在apply中选择structure，点击force/moment，选择on nodes，在电缆一端施加上述读取的振动载荷。[0061](3)求解电缆中间接头模型：在solution中，点击analysis type，sol’n controls，analysis options中选择large displacement transient、number of subsps、frequency进行设置，点击ok；最后进行计算。[0062]对模型两端施加全方向位移约束，以模拟现场夹具固定效果；并对图4中电缆右端中心点施加径向振动。[0063]提取50hz和100hz激励下的加速度波形，绘制曲线如图8所示。由图可见，靠近振源(9号位置)的振动波形加速度值与接头中间部分(5号位置)相差不大，但和远离振源部分(1号位置)的振动波形相差较大，这是距离导致的衰减。他们的振动波形基本一致，说明振动信号在接头中传递时没有产生失真。100hz激励下的振动幅度比50hz的提高了近1个数量级，但他们的振动幅度都很小，没有发生共振。[0064]电缆接头的振动信号具有随机特性，在时域中很难发现其特征，利用fft变换求解振动信号的频率图谱，如图9所示。由图可见，在负荷电流的电致振动激励下，振动能量分别集中在50hz和100hz两处；随着距离振源的增加，振动幅度减小，但整体振动幅度不大，与寄生振动和噪声幅度相当。寄生振动可能是由接头结构引起的振动新分量，该分量与接头结构、材料尺寸、外形都有关系，有可能通过该新生频率分量识别不同的接头类型。[0065]6、在电缆中间接头上施加376hz振动载荷进行共振分析。[0066]电缆中间接头的共振分析方法和过程与具体实施方法中4(1)～(3)相同，将振动载荷变成376hz即可。[0067]采用与电致振动同样的方法求解并绘制共振频率376hz激励下的振动波形，如图10所示，振动加速度幅值比50hz和100hz激励下提高了约2～3个数量级。9号和5号位置的振动幅度明显高于1号位置，且5号位置，即导体压接处，其振动幅度最大，这说明产生了共振。可以根据振动幅度的大小定位安全隐患的严重程度。[0068]利用fft计算频域分布如图11所示。由图可见，接头发生共振后，其振动能量主要集中在共振频率处，其幅度远远大于其他寄生振动和噪声，这可以作为接头共振的有力判据。[0069]7、分析仿真结果数据。[0070](1)电缆中间接头在工频50hz负荷电流及二次谐波100hz下会产生电致振动，振动加速度约为1～3×10-4m/s2，该振动不会对中间接头产生破坏，但是长期振动可能会导致接头松动，带来故障隐患。[0071](2)电缆中间接头具有共振频率点，共振幅频特征在接头圆周和轴向上具有一定的分布规律，在共振频率点下振动幅度明显增大，比正常运行时工频电压50hz及二次谐波100hz引起的电致振动大2～3个数量级，长期运行可能会导致接头疲劳受损。[0072](3)为了避免振动对电缆中间接头的危害，有必要对其进行振动监测；电缆中间接头在设计和制作中，应该选择合理的材料和适当的结构尺寸，提高其固有频率值；对已经发生共振的中间接头，应尽量减少外界因素的影响，或考虑添加调谐质量阻尼器，以减小和抑制其振动响应。[0073]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术实质的情况下，对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。









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