【精彩论文】基于非线性声弹性效应的输电铁塔螺栓预紧力预测数值分析

观点凝练

摘要：基于发展输电铁塔螺栓结构健康监测技术的现实需求，利用非线性声弹性效应，建立了输电铁塔螺栓的有限元模型，并发展了一种基于多物理场耦合的数值迭代算法。首先，考虑输电铁塔螺栓的几何构形特征，建立了预紧力作用下螺栓结构的轴对称二维有限元模型，并考虑预紧力作用下超声纵波的非线性声弹性效应，采用考虑三阶声弹性效应的默纳汉超弹性材料，实现螺栓结构的应力-应变场和声场的耦合求解分析，并进行了试验验证。计算结果表明：预紧力和夹持长度对螺栓结构内部的应力场分布状态有着显著的影响，同时预紧力导致的波速变化和螺栓形变对超声纵波的渡越时间有着双重影响。所建模型和分析方法为基于非线性声弹性效应的螺栓预紧力测量技术提供了数值模拟分析平台，可为相关试验研究和仪器研制工作提供技术指导。
结论：本文以建立适于进行螺栓预紧力测量的有限元数值分析模型及算法为目标，考虑超声纵波在固体介质中的非线性声弹性效应，在COMSOL多物理场耦合数值分析软件平台基础上，分别应用固体力学稳态分析模块和压力声学瞬态分析模块，通过引入非线性声弹性系数，实现了静态应力场和瞬态声场的耦合分析，并通过提取纵波传播过程中的压力时域信号，获得不同预紧力作用螺栓内纵波的传播特性（渡越时间），并进行了试验验证，为螺栓预紧力检测的超声声时法提供数值分析平台。

同时，本文通过相应算例，给出了预紧拉应力与纵波声时函数关系的数值拟合分析结果，并分析了预紧拉力、夹紧长度和材质对纵波传播特性的影响规律。

引文信息

张武能, 兰光宇, 汪毅, 等. 基于非线性声弹性效应的输电铁塔螺栓预紧力预测数值分析[J]. 中国电力, 2021, 54(10): 152-160.ZHANG Wuneng, LAN Guangyu, WANG Yi, et al. Numerical analysis of bolt preload of transmission towers based on nonlinear acoustoelasticity effect[J]. Electric Power, 2021, 54(10): 152-160.

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编辑：杨彪

审核：方彤

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