Studies on fatigue of two contacting wires of overhead conductors : experiments and modeling

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Autor(es): dc.contributorCastro, Fábio Comes de-
Autor(es): dc.contributorAraújo, José Alexander-
Autor(es): dc.creatorRocha, Pedro Henrique Correa-
Data de aceite: dc.date.accessioned2021-10-14T18:13:20Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2021-10-14T18:13:20Z-
Data de envio: dc.date.issued2019-10-16-
Data de envio: dc.date.issued2019-10-16-
Data de envio: dc.date.issued2019-10-16-
Data de envio: dc.date.issued2019-01-30-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://repositorio.unb.br/handle/10482/35604-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/626381-
Descrição: dc.descriptionDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.-
Descrição: dc.descriptionCabos condutores de energia estão sujeitos ao processo de fadiga quando submetidos a vibrações induzidas pelo vento. As falhas por fadiga são encontradas normalmente em fios localizados em regiões onde o movimento do cabo é restringido como, por exemplo, em grampos de suspensão e amortecedores de vibração. Mais especificamente, as falhas por fadiga em cabos condutores de energia ocorrem na região de contato entre fios ou entre fios da camada externa e o grampo de suspensão. Portanto, entender interações de contato locais pode resultar em uma melhor compreensão do comportamento à fadiga do cabo. O objetivo deste trabalho é apresentar contribuições a respeito do processo de fadiga associado ao contato entre fios de cabos condutores de energia. O trabalho é apresentado em duas partes. Na primeira parte, um modelo para predição de vida de dois fios de cabos condutores de energia em contato sob condições de fadiga é desenvolvido. Para levar em consideração o alto gradiente de tensão logo abaixo do contato, é feita uma média da distribuição de tensão na zona de dano do fio. O tamanho característico da zona de dano é determinado pelo ajuste do modelo a dados experimentais de corpos de prova contendo entalhes afiados. A avaliação do modelo de fadiga foi feita utilizando fios da liga de alumínio 1350-H19, retirados do cabo CAA Ibis 397.5 MCM. Dados de fadiga dos fios em contato foram obtidos para cargas de contato normais iguais a 250 N e 500 N. O ângulo de inclinação entre fios era 29°, similar ao ângulo entre fios de camadas adjacentes do cabo Ibis. Para calibrar o modelo, dados experimentais de fios lisos, fios com entalhe circunferencial em V e fios com furo transversal sob carregamentos totalmente alternados foram obtidos. A maior parte das vidas previstas estão dentro do fator 3, similar a faixa de dispersão dos dados de calibração do modelo. Na segunda parte do trabalho, é apresentada uma metodologia numérico-experimental para determinar condições de carregamento de fios em contato do cabo CAL 900 MCM. Primeiramente, 9 condutores previamente testados na bancada de ensaios de cabos de transmissão de energia da Universidade de Brasília foram examinados e regiões onde as rupturas ocorreram foram identificadas. A maior parte das falhas foram detectadas na região superior da camada mais externa do cabo, próxima ao grampo de suspensão. Tensões cíclicas e estáticas em fios da região crítica de falha do cabo foram calculadas a partir de medidas obtidas de strain gages em ensaios adicionais no cabo. Identificou-se que fios na região de falha do cabo podem estar submetidos a carregamentos estáticos até 4,57 vezes maior do que na região de vão livre do cabo, enquanto que a amplitude de tensão encontrada durante o ensaio cíclico é similar ao previsto pelo modelo de Poffenberger–Swart. Para determinar a carga normal de contato entre os fios, foram feitas simulações elasto-plásticas do contato normal entre os fios utilizando o método de elementos finitos. Os resultados das simulações foram comparados às marcas da região crítica do cabo. Constatou-se que as cargas de contato podem variar entre 100 N e 1290 N na região analisada.-
Descrição: dc.descriptionUnder wind induced vibrations, overhead conductors are subjected to fatigue damage process. Usually wire ruptures are found close to regions where the conductor movement is restrained (e.g. at suspension clamps and dampers). In fact, fatigue failures on overhead conductors take place at the local (wire) scale, in the contact region between wires, or between outer layer wires and clamp. Therefore, an understanding of local contact interactions may lead to a better comprehension of the global fatigue behavior of overhead conductors. The aim of this thesis is to present contributions on fatigue of contacting wires of overhead conductors. Thus, this work is divided into two parts. First, a fatigue life prediction model for two contacting wires of an overhead conductor is developed. To account for the high stress gradient beneath the contact surface, an average of the stress distribution in a damage zone is considered. The characteristic length of the damage zone is determined by fitting the model to test data from sharply notched specimens. The evaluation of the fatigue model was carried out using wires made of 1350-H19 aluminum alloy, which were taken from the ACSR Ibis 397.5 MCM conductor. Fatigue test data of two contacting wires were obtained for normal loads equal to 250 N and 500 N. The crossing angle of all tests was 29º, which is the angle that was observed between the aluminum wires layers of the Ibis conductor. To calibrate the model, test data of plain wires, circumferentially V-notched wires, and wires with transverse hole under fully reversed axial loading were obtained. Most of the predicted lives were within factor-of-three boundaries, which is a range similar to the scatter of the calibration data. Predicted lives were not significantly altered by the data set used to calibrate the fatigue model. On the second part, it is presented an experimental-numerical methodology to determine the loading conditions of two contacting wires of the AAAC 900 MCM conductor. As a first step, 9 conductors previously tested at the resonance fatigue test bench of the University of Brasilia were examined to identify the zones near the clamping region where the wire breakages occurred. Most of the breakages were detected at the upper part of the external layer of the conductor. Cyclic and static stresses were calculated from strain measurements on wires located at the critical region of the cable on additional tests. The measurements revealed that wires on the critical region are subjected to tensile loads up to 4.57 times the load on wires located at a free span of the cable. Measurements obtained from the cyclic test showed similar values to the Poffenberger–Swart model for amplitude stress. To determine the normal contact loads between two contacting wires, elastic-plastic finite element simulations were carried out. The simulation results were compared to marks found in the critical region of the cable. The contact marks’ loads vary between 100 N and 1290 N on the analyzed region.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
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Palavras-chave: dc.subjectCabos condutores-
Palavras-chave: dc.subjectFios de alumínio-
Palavras-chave: dc.subjectMecânica do contato-
Título: dc.titleStudies on fatigue of two contacting wires of overhead conductors : experiments and modeling-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
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