[发明专利]一种复合材料电力横担及其结构的设计方法

权利要求书

1.一种复合材料电力横担，为圆柱形实心结构，其特征在于：该圆柱形实心结构由内至外分设为三层，内芯层、中间层和外层；其中，中间层为一拉挤成型的复合材料空心管，以该复合材料空心管为基础，在该空心管的管芯内注满发泡聚氨酯泡沫材料构成其内芯层；在该空心管的外表面缠绕玻璃纤维树脂基复合材料构成所述外层。

2.根据权利要求1所述的复合材料电力横担，其特征在于：所述复合材料空心管内径为70-80mm；外径为100mm；其厚度为10-15mm。

3.根据权利要求1所述的复合材料电力横担，其特征在于：所述发泡聚氨酯泡沫材料为机器发泡料。

4.根据权利要求1所述的复合材料电力横担，其特征在于：所述玻璃纤维树脂基复合材料由8-10层玻璃纤维布与增强热固性树脂基浸渍后缠绕、固化成型；其中，所述增强热固性树脂由乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，防老化剂1～3份，色浆0.2～1份混合而成。

5.一种复合材料电力横担结构的设计方法，包括步骤如下：

1)将实心的圆柱状横担结构设计为三层，由内至外分别为内芯层、中间层和外层；其中，中间层为一拉挤成型的复合材料空心管；以该复合材料空心管作基础，在管芯内注满发泡聚氨酯泡沫材料构成其内芯层；在管芯的外表面缠绕玻璃纤维树脂基复合材料构成所述横担的外层；

2)确定步骤1)外层所用的树脂基原料配比和该外层的缠绕厚度；

3)将步骤1)所述复合材料空心管的内径d与外径D值，代入公式①得到横担的抗弯截面系数W；

取实际线路中使用工况的设计载荷数值F与所述横担的力臂长度L代入公式②，获取该横担所能承受的最大弯矩M；

M＝F×L    ②

4)取步骤3)使用工况时的最大弯矩M和所述横担的抗弯截面系数W，代入公式③，获取使用工况时所述横担能够承受最大载荷作用时的最大应力值σ；

σ＝M/W    ③

5)将步骤4)获取的最大应力值σ与所述复合材料空心管的许用应力值的相比，得到所述横担在使用工况时的安全系数值；

6)将步骤5)得到的安全系数值与设计安全系数值1.8进行比较，以得到安全系数与设计要求的安全系数之间的差距；

7)制备缠绕成型复合材料试样，完成测试，得到该试样的基本性能指标以确定所述外层的缠绕玻璃纤维树脂基复合材料的缠绕方式及厚度；其中缠绕方式以缠绕方向角90°/0°/54°/90°/0°/90°顺序缠绕，该缠绕层的厚度值为5mm～7mm；

8)将步骤7)所述试样的基本性能指标中的弹性常数及泊松比性能参数、缠绕方向角的顺序以及缠绕厚度值导入有限元软件ANSYS，由ANSYS软件的Preprocessor-modeling命令进行实体建模，Preprocessor-meshing划分网格、Preprocessor-solution-define loads施加载荷及Preprocessor-solution-solve-current LS模拟计算，最终分别由General postprocessor-plotresults-contourplot-nodal solution-stress-vonMises stress和General postprocessor-plotresults-contourplot-DOF solution-displacementvector sum命令得到给横担结构承受载荷作用下的Mises等效应力值及挠度值；

9)判断步骤8)得到的横担结构是否满足设计安全系数值的要求，即正常运行工况下横担顶端的挠度小于整体横担长度的15‰，大风工况下所述横担的强度应大于设计安全系数值1.8；

10)若满足设计要求，则完成所述复合材料横担的设计，进入横担的加工程序；若不满足设计要求，重复步骤7)～步骤9)，调整所述缠绕层的厚度及铺层方向角的优化，直至所述横担的安全系数值满足设计要求，则完成所述复合材料横担的设计。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：步骤1)所述复合材料空心管的内径为70-80mm，外径为100mm；该空心管的厚度为10-15mm；所述玻璃纤维树脂基复合材料由8-10层玻璃纤维布与树脂基复合材料相间铺设固化成型；其中，所述增强热固性树脂由乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，防老化剂1～3份，色浆0.2～1份混合而成。

7.根据权利要求5或6所述的设计方法，其特征在于：步骤6)所述试样的基本性能指标为：在室温16℃、相对湿度40％条件下，缠绕用的玻璃纤维布拉伸弹性模量为40.9GPa；弯曲模量为11.2GPa；剪切模量5.2GPa；泊松比为0.33；所述发泡聚氨酯泡沫层的弹性模量为8.41GPa；泊松比为0.36。