[发明专利]一种新型碳纤维卡具及其设计方法

说明书

本发明公开了一种新型碳纤维卡具及其设计方法，其特征在于，所述碳纤维卡具采用碳纤维制成的300kN的闭式卡具，所述闭式卡具的厚度为60mm，所述闭式卡具的破坏强度大于等于950MPa。本发明还提出一种基新型碳纤维卡具的设计方法。本发明在针对采用碳纤维材料替代金属材料制作闭式卡具时，根据300kN闭式卡具的受力特点和强度要求，优化设计出来了一种碳纤维铺层结构，此铺层结构能够满足闭式卡具的强度要求，替代原有的金属材料的闭式卡具。

技术领域

本发明涉及一种新型碳纤维卡具及其设计方法，属于新材料设计技术领域。

背景技术

对于更换特高压单片绝缘子用的闭式卡具，其主要材质为钛合金和铝合金，但随着电压等级的升高，绝缘子的尺寸和重量也逐渐加大，对于闭式卡具来说，为了满足机械强度，其重量也大大的增加了；这增加了更换绝缘子的作业难度，降低了作业效率，因此有必要采用碳纤维材料研制新型闭式卡具。但闭式卡具强度要求高，而碳纤维材料又是一种叠层结构，其强度受铺层方式影响。目前常规的碳纤维铺层角度为0°，±45°，90°，在铺层角度给定的前提下，结合闭式卡具的受力特点对铺层数和铺层顺序进行优化设计，使其满足闭式卡具的强度要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种新型碳纤维卡具及其设计方法。

本发明采用如下技术方案：一种新型碳纤维卡具，其特征在于，所述碳纤维卡具采用1000KV输电线路用的300kN闭式卡具，所述300kN闭式卡具采用碳纤维制成；所述300kN闭式卡具的厚度为60mm，所述300kN闭式卡具的破坏荷载为950MPa。

本发明还提出一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤SS1：对所述闭式卡具进行受力分析，将所述闭式卡具等效为受3点力的简支梁；

步骤SS2：设定碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件；

步骤SS3：根据所述步骤SS2的优化设计条件结合所述步骤SS1的简支梁的受力分析、所述闭式卡具的厚度要求，优化设计出碳纤维复合材料的铺层结构为：

[45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0/45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0]_5S；

步骤SS4：根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度，并与所述300kN闭式卡具的破坏强度950MPa进行比较，若铺层结构的破坏强度大于等于950MPa，则判定满足强度要求。

作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料材质选择为T300/5405。

作为一种较佳的实施例，所述碳纤维复合材料的单层厚度为0.2mm。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2中的所述碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件为：

条件1：采用0°、±45°、90°的标准铺层；

条件2：取向相同的铺层叠置不能超过2层以上；

条件3：0°、±45°、90°的四种铺层中每一种至少要占10％；

条件4：避免采用90°的层组，此时荷载方向为0°时，用0°或±45°层隔开；

条件5：弯曲刚度系数D₁₆，D₂₆不大于10^-6N.m。

作为一种较佳的实施例，所述条件3具体还包括：其中0°铺层20～40％之间，±45°铺层40～60％之间，90°铺层10～30％之间。