Formulação e validação de modelo numérico para cabos condutores de energia baseados em elementos finitos de viga

Abstract

As linhas de transmissão de energia são formadas por cabos e elementos de fixação, sendo a região de contato entre esses dois elementos a que ocorre a maioria dos casos de falha. Nessa região existe a dificuldade de medição das tensões e do controle do processo de falha. Por isso, os trabalhos com o objetivo de compreender os esforços mecânicos atuantes em cabos condutores são de grande contribuição para o tema. Este trabalho desenvolve modelos numéricos por meio de simulação computacional utilizando análise de elementos finitos a fim de compreender os esforços mecânicos presentes em cabos helicoidalmente trançados com uma ou mais camadas, submetidos a ensaios de tração e flexão. Como estratégia é utilizado elementos de viga, esta que visa obter um menor custo computacional em comparação com a modelagem utilizando elementos sólidos, e permite também a construção de modelos com maior comprimento de vão. Para representar a interação entre os fios que compõem o cabo são utilizados elementos de contato através de pares de contato do tipo mestre-escravo. No desenvolvimento do trabalho é utilizado o software comercial Ansys APDL versão 2020 R1 que permite a construção de modelos parametrizáveis. A validação dos resultados é feita através da comparação com valores presentes na literatura para ensaios de tração e flexão, por meio de resultados de modelos numéricos e também através de resultados de forças e tensões calculados através de formulações analíticas. Para ensaio de tração os modelos apresentaram convergência de resultados, tanto no de camada única, quanto multicamadas. A diferença percentual das forças de tração no modelo com uma camada em comparação com resultados analíticos foi menor do que 1%. Já para as forças de contato a diferença foi de 0,35% em comparação aos resultados analíticos e 3,62% em comparação aos resultados presentes na literatura.

Para ensaio de flexão em cabos multicamadas os modelos também apresentaram convergência para quatro casos de carregamento diferentes, sendo os resultados obtidos de deflexão versus posição axial comparados a resultados experimentais e computacionais presentes na literatura mostrando boa convergência e uma diferença média menor do que 5%. Tais resultados são considerados satisfatórios para a validação dos modelos desenvolvidos.