前言
根据刚发布的GB/T 41491-2022 《配网用复合材料杆塔》，结合当下国家提出的“碳达峰”与“碳中和”的目标。[1]可以判断复合材料杆塔的应用是未来的发展趋势。相比较传统的输电线路杆塔的钢铁材质，复合材料杆塔具有耐腐蚀、绝缘以及更优异的结构强度。[2]从10KV到220KV诸多工程已经成功应用复合材料杆塔。例如在2009年国家电网设立了复合材料杆塔的工程，其中有10KV、35KV、110KV、220KV。大大降低线路的宽度。[3]北京复合材料研究院使用玻璃纤维复合材料制造35KV复合材料杆塔，在不同工况下，产生的变形满足验收条件。[4]中国电力设计的复合杆塔，在满足力学要求的前提下，可以减低20%载荷，提升安装效率。[5]
复合材料，其中复合的概念是由基体材料与增强材料组成而来。其中基体材料由一种单一材料组成，增强材料可以提升复合材料的力学性能。基体材料一般由三大类组成：金属、树脂、无机。除此之外还有一些辅材。不同的应用场景，可以自行选择合适的复合材料以达到使用要求。
1 模型搭建
1.1经过试验获取FRP材料性能参数
在UG2206创建材料属性如图，FRP复合材料是一种各向异性的材料，这里认定为是一种正交的各向异性材料。具有三个维度的材料参数。设定的相关参数有弹性模量、泊松比以及剪切模量。
图1 UG中定义FRP材料属性
1.2复合材料杆塔三维模型
两端的法兰为钢材，中间部分为复合材料横担，两端的法兰直接选定UG材料库中的STEEL材料。法兰与复合材料横担为插接形式。
1.3网格划分
对于主体杆件，因为是一种规整的型材，这里划分网格是使用3D扫掠网格。赋予材料属性FRP。对于两端的法兰部分是选择3D四面体网格进行网格划分。
1.4施加约束与负载
一端选择固定约束，另一端施加不同工况下的负载。
图2 两端约束与负载
2 最大位移分析
对横担施加不同工况下的力的载荷，选定的标准工况有0°大风工况、45°大风工况、90°大风工况、覆冰工况、长期运行状态以及意外断线。其中0°大风工况在一侧法兰施加分量力，纵向与垂直分量力分别为800N、-3000N，无横向载荷。45°大风工况，横向负载为-1600N。纵向负载为500N，垂直负载为-3200N。90°大风工况，横向负载为-3300N，垂直负载为-3200N，无纵向负载。覆冰工况为横向负载为-800N，垂直载荷为-7200N，无纵向负载。长期运行工况为垂直载荷-90N，垂直载荷为-3000N，无纵向载荷。意外断线工况为纵向载荷11000N，垂直载荷为-3000N，无横向载荷。
以下为不同工况下的位移云图，根据最大位移可以判断，断线工况的位移值过大。
图3 不同工况的位移云图与应力云图
3 最大应力分析
根据最大应力云图可以分析出，其中最大应力都处于约束横担的法兰一侧，长期运行工况下，最大应力为99Mpa，覆冰工况下的最大应力为240Mpa，意外断线工况下，最大应力为260Mpa，90°大风工况下，最大应力为122Mpa，45°大风工况下，最大应力为110Mpa，0°大风工况下，最大应力为99Mpa。
4结论
依照电力铁塔设计国标的要求，利用UG2206前后处理模块进行有限元分析后，最大应力是远低于复合材料的屈服极限值，证明复合材料的应用具有合理性。其中在所有工况中，断线工况是值得被注意的危险工况，应力最大值为270Mpa，最大位移为40mm。这类意外工况是应该被尽量避免的。
参考文献
[1] 夏开全．复合材料在输电杆塔中的研究与应用[J].高科技纤维与应用，Vo1.30，No.5，Oct.2005..
[2] 杨敏祥，陈原，李卫国等，复合材料杆塔研究现状及关键技术问题[J].华北电力技术，No.10,2010.
[3] 方东红，韩建平，曹翠玲。复合材料输电杆应用进展[J].玻璃纤维，2008（6）：31-39.
[4] 刘泉，任宗栋，默增禄。纤维增强复合材料在35kV输电杆塔中的应用研究[J].电力建设，Vo1.32，No.4Apr，2011.
[5] 张弓达，张宏宇，胡建勋。复合材料杆塔线路电场分析[J].东北电力技术，No.2,2012.
第一作者简介：袁航（1996-），男，汉，山东日照，硕士研究生，初级职称，输电铁塔制造，重型钢结构制造。
联系方式：通信地址：山东省青岛市胶州市中电装备青岛豪迈钢结构有限公司，266300，中电装备青岛豪迈钢结构有限公司，周家正，18661817502，939220625@qq.com。
