CN102254061B - 输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，它通过对输电塔整体结构件三维CAD模型主动简化，提取框体特征结构，据输电塔特征结构建立有限元模型库，再按照输电塔结构的实际形状，通过变换工作平面，由单面向多面逐渐过渡，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构。同时通过解析与数值的综合方法对导线进行参数化建模，并与输电塔模型进行组合，最终确定输电塔线塔耦合体系有限元模型。然后加载程序中输入风速、温度等参数进行施加均布载荷，计算完成后，通过程序自动分析提取出需要的结果。通过该方法有效的缩短有限元分析周期，既能体现出输电塔线塔耦合体系的计算力学理论，也使有限元模型在几何上更加精确于CAD模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电塔及导线结构的有限元分析方法，尤其是一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法。
背景技术
输电铁塔是架空输电线路的重要组成部分，起着支撑导线、地线及其他附件的作用。按其在线路中的用途，输电塔可分为直线塔、耐张塔、转角塔、换位塔、跨越塔和终端塔。根据其结构形式，自立式输电铁塔可分为上字型塔、鸟骨型塔、猫头型塔、酒杯型塔、干字型塔、六角型塔、伞型塔等。
输电塔功能与结构形式随线路电压等级、沿线地形、施工运行条件等各种因素变化而变化，形式繁多。正常运行过程中，在自重、风、雨(雪)、覆冰及气温等载荷作用下，铁塔都应该有足够强度以保证输电系统的正常运行；另外，在一些特殊的情况下，如导线断裂时铁塔也应该有足够的强度以防止由于断线而引起的进一步严重破坏。
输电铁塔在线路总投资中所占的比重很大，约为40％左右。铁塔一旦遭受破坏，将直接影响到整个电力系统的正常运行，不仅造成巨大的经济损失，甚至引起整个供电系统的瘫痪。近年来国家电网装机容量、电压等级不断提高，输电铁塔朝着高耸、大跨越及特高压方向快速发展。对铁塔可靠性、经济性提出了更高的要求。
自立式输电铁塔是由角钢或钢管连接而成的大型空间超静定桁架结构，其结构健康状况受到那些薄弱杆件的控制。在荷载作用下，输电铁塔整体受到轴向力、剪力和弯矩的共同作用，现行设计规范使用传统的工程算法，将输电铁塔单独作为隔离体，整体按压弯变截面构件计算。这种方法既难以考虑输电铁塔结构的细部特征，又无法考虑输电塔与导(地)线的相互作用和其他荷载的准确作用。由于无法得到输电铁塔各杆件具体详实的应力分布情况，导致输电铁塔的计算应力与实际运行情况存在较大的差异。同时，实际线路中正在运行的许多输电铁塔设计于上世纪80年代甚至更早，受到设计方法和分析手段的限制，难以全面细致地对设计结构进行分析与评定，无法全面考虑结构中每个构件的强度、刚度和稳定性问题，随着近年来极端气候的频发，一些投入使用较早的输电塔安全问题更加突出。由于其结构的差异性及在输电线路中的用途不同，在外部荷载作用下的受力状况有其自身固有的规律和特点，存在结构固有的相对薄弱环节。通过手工计算和进行真型实验来确定这些薄弱环节，不论从经济上还是实验手段上都是不现实的。
使用计算机模拟技术，基于非线性有限元理论，使用ANSYS有限元分析软件建立实际线路中各种塔型的“塔-线耦合”模型，分析体系在环境荷载及自身荷载作用下的静力特性，确定各类输电铁塔上固有的相对薄弱结构。但利用有限元软件与CAD软件接口直接引入输电塔线塔耦合体系结构CAD模型，往往导致模型的变化和产生过多庞大的节点数，以至于缺失数据，影响有限元分析的准确性和精度。而直接利用有限元软件建立输电塔线塔耦合体系有限元模型又需要花费大量的时间和精力，而该有限元模型抽象化的过程在很大程度上又依赖于有经验的分析人员。因此提出针对输电塔线塔耦合体系整体结构件有限元主动、快速、准确的参数化建模方法成为必然。
发明内容
本发明的目的是针对现有建立输电塔线塔耦合体系有限元模型的方法准确性差，精度低，耗费大量时间和精力，且依赖有经验的分析人员的现状，提供货一种通过对ANSYS二次开发，基于“框体拼接”建模方法实现对输电塔线塔耦合体系主动、快速、准确的参数化有限元模型的输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，包括以下步骤：
第一步，简化框架结构，提取特征结构；
根据输电塔整体结构件的三维CAD模型，将组成输电塔整体结构的每个单节主动简化成标准的框式结构，对每个侧面及横隔面在库中选取对应的形式；
第二步，在计算机中建立特征结构的有限元模型库；
由于输电塔结构多是由角钢组成，由于角钢截面为非轴对称性截面，为保证分析精度，根据第一步所得的特征结构，采用BEAM188梁单元(该BEAM188梁单元是ansys软件设定的一种梁单元模型，可通过设定单元坐标系定义角钢具体截面形式)建立对应的侧面及横隔面有限元模型；同时对所建的模型通过交互式输入该模型的几何参数和单元参数自动生成；
所述模型的几何参数是指简化框架体的长度、宽度、高度及关键点坐标，用户可根据输电塔整体结构件三维CAD模型提供的每个简化框体的相关数据，挑选最为简便的输入方法确定该框体的几何形状；
第三步，利用第二步中所建的特征结构进行拼接，直至得到一个周界与输电塔整体结构构件三维CAD模型相吻合的拼接实体，再将各拼接实体的有限元模型转换成APDL宏文件，存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用该宏文件即可直接生成输电塔整体结构件的有限元模型；
第四步，在宏文件中输入导线及地线的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型；
第五步，在宏文件中输入风速、风向、温度，覆冰厚度参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行有限元分析计算；
第六步，在宏文件中输入要提取的参数，如节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性、轴向力等参数，进行数据的提取与分析。
本发明解决了利用有限元软件与CAD软件接口直接引入输电塔整体结构CAD模型，往往导致模型的变化和产生过于庞大的节点数，以至于缺失数据，影响有限元分析的准确性和精度的问题；解决了直接利用有限元软件建立输电塔线塔耦合体系有限元模型必须花费大量的时间和精力，而该有限元模型抽象化的过程在很大程度上又依赖于有经验的分析人员的问题。通过ANSYA二次开发，基于“框体拼接”建模方法建立输电塔线塔耦合体系有限元模型，在建模过程中根据输电塔及导线整体结构件有限元主动、快速、准确的参数化建模方法成为必然。在建模过程中根据输电塔体及导线结构自身特征对其主动简化，然后加载程序中输入风速、温度等参数进行施加均布载荷，计算完成后，通过程序自动分析提取出需要的结果。本发明具有准确性高、交互性好的特点，本发明能有效的缩短有限元建模周期，既能体现输电塔线塔耦合体系的计算力学理论，也使有限元模型在几何上更加精确于CAD模型，实现了主动、快速、准确的参数化建立输电塔线塔耦合体系有限元模型。
公开了输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，它通过对输电塔整体结构件三维CAD模型主动简化，提取框体特征结构，据输电塔特征结构建立有限元模型库，再按照输电塔结构的实际形状，通过变换工作平面，由单面向多面逐渐过度，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构。同时通过解析与数值的综合方法对导线进行参数化建模，并与输电塔模型进行组合，最终确定输电塔线塔耦合体系有限元模型。然后加载程序中输入风速、温度等参数进行施加均布载荷，计算完成后，通过程序自动分析提取出需要的结果。本方法具有准确性高、交互性好的特点，通过该方法有效的缩短有限元分析周期，既能体现出输电塔线塔耦合体系的计算力学理论，也使有限元模型在几何上更加精确于CAD模型。
附图说明
图1为本发明的输电塔线塔耦合体系有限元建模方法流程框图。
图2-13为侧面结构简化形式，其中图2为塔腿三等分叉子型支腿简化图，图3为332型三角补材接腿简化图；图4为主材四等分带V面三角补材接腿简化图；图5为K型塔身简化图；图6为叉子型三角补材下吊杆塔身简化图；图7为叉子型塔身简化图；图8为叉子型三角补材塔身简化图；图9为叉子型下吊杆塔身简化图；图10为叉子型中间辅材塔身简化图；图11为叉子型上吊杆塔身简化图；图12为叉子型上下横杆塔身简化图；图13为叉子型下横杆塔身简化图。
图14-21为横隔面面结构简化形式，其中图14为DZHG-1横隔面简化图；图15为叉子型横隔面简化图；图16为菱形横隔面简化图；图17为圈材三等分横隔面简化图；图18为十字型横隔面简化图；图19为一字型横隔面简化图；图20为平面辅材网架横隔面；图21为菱形带三角形辅材横隔面。
图22为110kvZGU直线塔单塔有限元模型，图23为110kvZGU直线塔线-塔耦合体系有限元模型；图24为220kvSJT转角耐张塔单塔有限元模型，图25为220kvSJT转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型；图26为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔单塔有限元模型，图27为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔线-塔耦合体系有限元模型；图28为110kvZGU直线塔单塔有限元模型，图29为JT41干字型单回路转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-21所示，一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，它包括以下步骤：
第一步，简化框架结构，提取特征结构；
根据输电塔整体结构件的三维CAD模型，将组成输电塔整体结构的每个单节主动简化成标准的框式结构，对每个侧面及横隔面在库中选取对应的形式，所述的侧面特征结构包括DW倒K型、M型最小轴型、W型最小轴型、接腿170型、接腿279型、接腿FS型等175种结构形式；所述的横隔面结构包括DZHG-1、I型横隔面、菱形横隔面、八角形横隔面，叉子型横隔面、十字横隔面、一字型横隔面等39种。
第二步，在计算机中建立特征结构的有限元模型库；
根据第一步的所得的特征结构，采用BEAM188梁单元建立对应的侧面及横隔面有限元模型；同时对所建的模型通过交互式输入该模型的几何参数和单元参数自动生成；模型的几何参数是指简化框架体的长度、宽度、高度及关键点坐标；同时为所建的有限元模型提供多种交互式输入方法定义其几何参数，用户可根据输电塔整体结构件三维CAD模型提供的每个简化框体的相关数据，挑选最为简便的输入方法确定该框体的几何形状；
第三步，利用所建的特征结构进行拼接，直至得到一个周界与输电塔整体结构构件三维CAD模型相吻合的拼接实体，再将各拼接实体的有限元模型转换成APDL宏文件，存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用该宏文件即可直接生成输电塔整体结构件的有限元模型。
第四步，在宏文件中输入导线及地线的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标等参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型。
第五步，在宏文件中输入风速、风向、温度，覆冰厚度等参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行计算。
第六步，在宏文件中输入要提取的参数，如节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性、轴向力等参数，进行数据的提取与分析。
本发明可通过四个模块来实现，它们是模型绘制模块、载荷施加模块、数据转换模块、数据处理模块。其中模型绘制模块包括工作平面变换和模型库建立两部分。工作平面变换可实现工作平面平移、工作平面旋转和原点坐标查询等功能；模型库的建立包括了参数化建立DW倒K型、M型最小轴型、W型最小轴型、接腿170型、接腿279型、接腿FS型等175种侧面结构形式及DZHG-1、I型横隔面、菱形横隔面、八角形横隔面，叉子型横隔面、十字横隔面、一字型横隔面等39种横隔面等有限元模型。载荷施加模块可实现将大风、覆冰、重力等载荷均布施加在输电塔及导线整体结构上。数据转换模块可实现将模型文件及载荷文件生成APDL宏文件，并可实现对该宏文件的产看和修改等功能。数据处理模块可实现对点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性、轴向力等参数，进行数据的提取与分析。
实例1：110kvZGU直线塔线塔耦合体系有限元分析
1.建立输电塔整体结构的有限元模型。进入软件运行主界面时，用户从模型库里选择框体的类型，并输入模型参数，用户可根据示例输入模型的相关参数，输入相关参数后确定单个框体的有限元模型之后，按照输电塔整体结构的实际形状，通过变换工作平面，继续按照上述步骤确定下一个框体的有限元模型。本模型应用了DZHG-1横隔面、叉子型横隔面、菱形横隔面形式及塔腿三等分叉子型支腿、叉子型三角补材下吊杆塔身、叉子型塔身、叉子型三角补材塔身等侧面结构形式。通过重复上述步骤，最终可确定输电塔整体结构的有限元模型，如图22所示。
2.建立线塔耦合模型。输入导地线参数的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标等参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型如图23所示。
3.施加大风载荷，在宏文件中输入风速30m/s、90°风向、温度20℃，覆冰厚度0mm等参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行计算。
4.提取数据，在宏文件中输入要提取的参数，节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性等参数，进行数据的提取与分析。
实例2：220kvSJT转角耐张塔线塔耦合体系有限元分析
1.建立输电塔整体结构的有限元模型。进入软件运行主界面时，用户从模型库里选择框体的类型，并输入模型参数，用户可根据示例输入模型的相关参数，输入相关参数后确定单个框体的有限元模型之后，按照输电塔整体结构的实际形状，通过变换工作平面，继续按照上述步骤确定下一个框体的有限元模型。本模型应用了DZHG-1横隔面、叉子型横隔面、菱形横隔面、十字横隔面等横隔面形式及332型三角补材接腿简化图、叉子型三角补材上吊杆塔身、叉子型塔身、叉子型中间辅材塔身及K型塔身等侧面结构形式。通过重复上述步骤，最终可确定输电塔整体结构的有限元模型，如图24所示。
2.建立线塔耦合模型。输入导地线参数的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标等参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型，如图25所示。
3.施加大风载荷，在宏文件中输入风速30m/s、90°风向、温度20℃，覆冰厚度0mm等参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行计算。
4.提取数据，在宏文件中输入要提取的参数，节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性等参数，进行数据的提取与分析。
实例3：500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔线塔耦合体系有限元分析
1.建立输电塔整体结构的有限元模型。进入软件运行主界面时，用户从模型库里选择框体的类型，并输入模型参数，用户可根据示例输入模型的相关参数，输入相关参数后确定单个框体的有限元模型之后，按照输电塔整体结构的实际形状，通过变换工作平面，继续按照上述步骤确定下一个框体的有限元模型。本模型应用了DZHG-1横隔面、叉子型横隔面、菱形横隔面、十字横隔面等横隔面形式及332型三角补材接腿简化图、叉子型三角补材上吊杆塔身、叉子型塔身、叉子型中间辅材塔身及K型塔身等侧面结构形式。通过重复上述步骤，最终可确定输电塔整体结构的有限元模型，如图26所示。
2.建立线塔耦合模型。输入导地线参数的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标等参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型，如图27所示。
3.施加大风载荷，在宏文件中输入风速30m/s、90°风向、温度20℃，覆冰厚度0mm等参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行计算。
4.提取数据，在宏文件中输入要提取的参数，节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性等参数，进行数据的提取与分析。
实例4：JT41干字型单回路转角耐张塔线塔耦合体系有限元分析
1.建立输电塔整体结构的有限元模型。进入软件运行主界面时，用户从模型库里选择框体的类型，并输入模型参数，用户可根据示例输入模型的相关参数，输入相关参数后确定单个框体的有限元模型之后，按照输电塔整体结构的实际形状，通过变换工作平面，继续按照上述步骤确定下一个框体的有限元模型。本模型应用了平面辅材网架横隔面、菱形带三角形辅材横隔面、叉子型横隔面、十字横隔面等横隔面形式及主材四等分带V面三角补材接腿、叉子型上下横杆塔身、叉子型下横杆塔身、叉子型塔身、叉子型三角补材塔身等侧面结构形式。通过重复上述步骤，最终可确定输电塔整体结构的有限元模型，如图28所示。
2.建立线塔耦合模型。输入导地线参数的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标等参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型，如图29所示。
3.施加大风载荷，在宏文件中输入风速30m/s、90°风向、温度20℃，覆冰厚度0mm等参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后进行计算。
4.提取数据，在宏文件中输入要提取的参数，节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性等参数，进行数据的提取与分析。
Claims (1)
1.一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，简化框架结构，提取特征结构；
根据输电塔整体结构件的三维CAD模型，将组成输电塔整体结构的每个单节主动简化成标准的框式结构，对每个侧面及横隔面在有限元模型库中选取对应的形式；
第二步，在计算机中建立特征结构的有限元模型库；
根据第一步所得的特征结构，采用BEAM188梁单元通过交互式输入几何参数和单元参数建立对应的侧面及横隔面有限元模型；
所述模型的几何参数是指简化框架体的长度、宽度、高度及关键点坐标；
用户根据输电塔整体结构件三维CAD模型提供的每个简化框体的相关数据，挑选最为简便的输入方法确定该框体的几何形状；
第三步，利用第二步中所建的特征结构的有限元模型库进行拼接，直至得到一个周界与输电塔整体结构构件三维CAD模型相吻合的拼接实体，再将各拼接实体的有限元模型转换成APDL宏文件，存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用该宏文件即可直接生成输电塔整体结构件的有限元模型；
第四步，在APDL宏文件中输入导线及地线的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型；
第五步，在宏文件中输入风速、风向、温度，覆冰厚度参数，读入ANSYS进行风载荷、冰载荷的加载，然后有限元分析计算；
第六步，在宏文件中输入要提取的参数，进行数据的提取与分析；所述要提取的参数为节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性和轴向力。
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