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Título: Computational modeling for stress analysis of overhead transmission line stranded conductors under design and fretting fatigue conditions
Autores: Qi, Gang
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Applied Sciences - Applied Mechanics
Descripción: While great efforts have been made in the electrical utility industry to engineer various stranded conductors with enhanced strength and vibrational characteristics, research devoted to understanding the complex mechanical behavior of complete conductors has been scarce, especially from a computational mechanics perspective. In the meanwhile, the long-lasting problem of conductor fretting fatigue becomes increasingly critical for overhead line design and maintenance, especially with the world-wide aging of electrical transmission grids. Aging of conductors contributes to significant degradation of their local fatigue strength, leading to drastic reduction of their service life. However, the complex mechanical response of stranded conductors cannot be well predicted by either experimental testing or simplified theoretical models, owing to the physical complexity introduced by their multi-layer stranded geometry, nonlinear material properties, substantial frictions among the wires and between the wires and hardware clamping systems, as well as the comprehensive contact interactions amongst their components. Simplified beam models and coarse 3-D models of earlier computational studies also fail to calculate the accurate stress variations inside a conductor strand and capture the stress gradients near the contact interfaces. Moreover, the estimations of fretting fatigue life are very dependent on the high accuracy of the stress predictions in the conductor wires. Therefore, reliable high-fidelity computational models have been long expected for a better understanding of the contact damage of transmission line conductors under both design and fretting fatigue conditions. The main objective of this thesis is to study the complex stress states and relevant influencing factors of stranded electrical conductors, using finite element analysis approaches. The research was carried out in three stages. First of all, a study focused on the finite element (FE) modeling of an optical ground wire (OPGW) cable strand for its detailed stress analysis. A refined 3-D FE model including all essential nonlinear characteristics was successfully constructed. As a result, a high-fidelity physics-based macroscopic modeling methodology was developed for detailed and accurate computational stress analysis of stranded conductors. A 795 kcmil Drake ACSR conductor was then selected as a benchmark conductor to investigate the tensile strength and critical stress states of a complete conductor under extreme design conditions. Furthermore, a sensitivity study explored the relative importance of friction effects among conductor wires on the mechanical response.A large scale 3-D FE stress analysis model with comprehensive nonlinearities was developed and implemented to simulate an actual ACSR fretting fatigue test. The computational results showed good agreement with some experimental measurements and field observations reported in the open literature. Based on the accurate stress analysis, a practical multi-axial fatigue lifing methodology was developed to estimate local fretting fatigue strength of electrical conductors. Subsequently, a parametric study was performed to examine the influence of fretting amplitudes on the mechanical response of the conductor-clamp system.In conclusion, this research shows the reliability and significance of using reliable FE modeling in predicting the complex response of stranded conductors, which has contributed to fill some of the current knowledge gaps. Furthermore, the computational modeling and lifing approaches developed in this thesis provide a different perspective from existing practices and may become a starting block of further exploration of the mechanisms of conductor fretting fatigue and future development of improved fatigue lifing methods for the increasingly aging overhead transmission line conductors.
Malgré les efforts déployés par l'industrie des lignes de transport d'électricité pour la conception de conducteurs toronnés de haute résistance mécanique, la recherche dédiée à la compréhension physique du comportement mécanique des conducteurs s'est faite plus rare, surtout du point de vue de la mécanique computationnelle. Le problème du vieillissement des conducteurs de lignes aériennes à haute tension, en particulier celui de l'usure en fatigue des brins et torons, n'est toujours pas complètement compris ni donc résolu. Le vieillissement des conducteurs se manifeste par une dégradation importante de leur résistance locale à l'usure en fatigue, réduisant par le fait même leur vie utile et la robustesse mécanique de l'ensemble de la ligne. Il faut reconnaître que les études expérimentales et les modèles théoriques simplifiés ne peuvent pas prédire le comportement mécanique détaillé des conducteurs toronnés à cause de la complexité physique de ces câbles: torons et brins multicouches, matériaux inélastiques non-linéaires, effets des frictions substantielles entre les brins, torons et les surfaces des accessoires d'attache, ainsi que les interactions de contact entre ces éléments.Les travaux rapportés dans la thèse procèdent en trois étapes principales, décrites ci-après. La première partie consiste à préparer un modèle de section de câble de garde à fibre optique (CGFO) de construction complexe et d'en faire l'analyse détaillée sous déplacement axial contrôlé. Cette étape a servi à établir les bases de la méthodologie proposée, lesquelles sont discutées de manière exhaustive. La deuxième partie de la recherche porte sur la modélisation raffinée du conducteur de ligne ACSR 795 kcmil qui porte le nom de code « Drake », sélectionné comme cas de référence pour étudier la résistance en traction et les états de contraintes complexes du conducteur sous des conditions de conception extrêmes de conception. sensibilité a également exploré l'importance relative des effets frictionnels entre les brins du câble sur les contraintes calculées par le modèle. Finalement, un modèle détaillé 3-D est créé pour simuler les conditions précises d'un essai typique de fatigue en flexion pour le conducteur « Drake » jumelé à une pince de suspension. Le modèle retient toutes les non-linéarités du problème d'un point de vue mécanique. l'auteur suggère une méthode pratique pour évaluer la résistance locale en fatigue multiaxiale des conducteurs du type ACSR au droit des points de contact des pinces de suspension. Cette méthode est relativement simple d'application (une fois les analyses de contraintes disponibles) et donne des résultats en accord avec les valeurs recommandées par les manufacturiers pour le câble « Drake ». Par la suite, une étude paramétrique est faite pour vérifier l'influence de l'amplitude des mouvements de glissement sur les états de contraintes déterminés dans le conducteur dans la région de contact avec la pince sous l'effet d'un cycle complet de chargement flexionnel. En conclusion, cette recherche démontre la faisabilité et la pertinence de l'usage des méthodes computationnelles avancées pour l'analyse des contraintes d'un problème complexe comme celui des conducteurs toronnés multicouches. La méthodologie de construction des modèles est une contribution scientifique importante qui permet d'améliorer notre compréhension du comportement mécanique des conducteurs sous charges extrêmes ou dans des conditions de fatigue flexionnelle. La méthode proposée pour l'estimation de la résistance à l'usure en fatigue est également utile pour l'industrie des lignes de transport et pour les manufacturiers de câbles et il est envisageable que cette recherche servira de tremplins à plusieurs autres études computationnelles pertinentes sur les conducteurs de lignes afin d'améliorer leur fiabilité et leur robustesse mécanique.
Idioma: en