CN102609570A - 架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，包括输线路系统动力学建模、流固耦合动力学参数仿真计算及导线舞动计算机仿真子系统三个子系统。其中动力学建模子系统包括参数输入、常用参数数据库、线路系统有限元模型3个子模块；流固耦合动力学参数仿真计算子系统包括地形与气象参数、空气动力学参数仿真、试验参数数据库、以及工况修正系数4个子模块；导线舞动仿真子系统包括脉动风载施加、实时动载荷施加、导线舞动动力学仿真计算及后处理4个子模块。本发明可以对任意地形地貌及任意气象条件下的各种线路结构形式进行输电导线舞动的计算机模拟仿真，得出线路系统在不同工况下的振动特征和系统力学参数，为线路系统的设计提供技术指导。

Description

架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统

技术领域

本发明涉及一种计算机仿真平台系统，尤其是涉及架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统。

背景技术

在冬季的时候，导线表面覆冰后会形成非圆形截面，当风以一定的速度吹到这样的导线上时，在一定的条件下，会使导线产生驰振，俗称舞动。这是一种低频(约0.1～3Hz)、大振幅的导线自激振动，舞动峰值可达10多米这导线的这种振动通常会发生导线固体和空气流体的相互耦合，是属于非线性的振动。这种舞动一般幅值大、持续时间长而且伴有摆动，对于输电线路的损害极大，容易引起相间闪络、金具损坏，造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、拉倒杆塔、导线折断等严重事故，从而造成重大经济损失。

舞动的形成还受到多方面的因素的影响，如覆冰、风激励和线路的结构和参数，而这些参数都是千变万化的，因此导线舞动的分析是一个非常复杂的实际问题。由于覆冰而引起的导线舞动，20世纪30年代以来，一些学者对导线舞动机理，舞动规律做了大量研究，提出了多种舞动机理学说，根据流体诱发振动的基本理论和国内外研究的现状，基本上公认的有如下三种激发模式：

包括Den Hartog的垂直舞动机理、O.Nigol的扭转舞动机理、P.YU的偏心惯性耦合失稳机理等。

美国的邓哈托于1932年12月在A.I.E.E会议上发表了题为“输电导线覆冰舞动”一文，首次从理论上阐述了导线舞动的发生机理。加拿大的尼戈尔自1972年开始按各种舞动的覆冰模型在风洞中进行静力与动力试验，对邓哈托激发原理进行了系统的试验与研究，得出了一系列空气动力曲线和邓哈托系数曲线，首次对横向激发起舞的过程和临界条件作了较为系统、严密的表述。P.YU的偏心惯性耦合失稳机理认为当雨量和风速都很大时，导线覆冰常覆在背风侧。此时导线的偏心质量位于背风面，即使此时导线横向振动和扭转振动都是稳定的，但由于偏心惯性作用引起攻角变化，从而使相应的升力对横向振动形成正反馈，加剧了横向振动，并逐步聚集能量，最后形成大幅度舞动。

此外，世界上很多其他国家的科学家和工程技术人员也对实际或实验线路进行了大量的观测和归纳，取得了许多有价值的结论。

加拿大A.T.Edwards（爱德华滋）等人于1953年1月至1954年在安大略Burlington（柏林顿）与Dundas（丹达斯）地区和Kenilworth（肯沃斯）地区先后进行了舞动的观测，记录下峰值高达10ft的舞动，并记录下产生舞动的冰风、气象与线路结构参数等有关资料。同时，在Credit（克尼地特）港建成了与实际尺寸相同的共7档的试验线路，并用D型覆冰模型在实验线路上形成人工起振，对系统的静态与动态参数进行了较为全面的试验。

日本在笠取山地区建立了试验线档，进行了长期的调研与观测。在四分裂导线上，进行了天然覆冰与D型人工覆冰的试验研究，观测到垂直振幅为4m，扭振振幅为100o的舞动，并观测到舞动的各种模式以及舞动与风速、张力的关系，记录了振动的频谱、轨迹、次档距振荡等现象与参数。他们在报告中认为，在自然条件下所发生的振动，一定伴有扭转运动，且二者频率相同，并具有一定的相位关系。

在计算机模拟方面，有些国家进行过大量的工作，但真正公开发表的文献不多。加拿大N.Poppolewell教授领导的研究室在建立非线性模型和随机模型方面作了许多前瞻性的工作。

导线舞动是一个强非线性的流固耦合动力学过程，具有复杂性、特殊性和不可复制性，目前虽有诸多研究，但还没有一个直接求解方法，因此计算机仿真是目前唯一可行的研究方法。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可以适应不同地形地貌、不同气象条件、不同风载荷激励、以及不同线路结构等工况条件的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，它是一个具有良好适应性的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，包括动力学建模子系统：用于输入仿真导线舞动所需的数据参数以及建立系统的力学模型；

流固耦合动力学参数计算机仿真子系统：用于计算导线舞动所需要的空气动力学参数和系数；

导线舞动计算机仿真子系统：根据所建立的模型和仿真求得的空气动力学参数进行非线性瞬态动力学计算，输出仿真结果。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述动力学建模子系统包括：工况参数输入模块、输电导线系统常用参数标准数据库模块、输电线路系统的有限元模型模块。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述工况参数输入模块包括杆塔参数，所述杆塔参数包括几何结构尺寸、空间海拔、材料、绝缘子形式；导线参数，所述导线参数包括型号、分裂数、分裂布置、间隔棒参数；覆冰参数，所述覆冰参数包括覆冰的结构类型、覆冰的性质、覆冰的尺寸的输入，并将所有的输入变量进行参数化处理，以适应系统对不同工况和不同条件下的系统建模与分析；

所述输电导线系统常用参数标准数据库模块包括输电线路系统常用材料参数数据库、常用导线型号及参数数据库、常用杆塔参数数据库、常用覆冰参数数据库以及数据库接口的设计；

所述输电线路系统的有限元模型模块包括杆塔系统的有限元模型、导线系统的有限元模型、覆冰的有限元模型、间隔棒有限元模型；

所述的有限元模型包括系统的几何模型及力学模型的建立、材料性能参数定义、边界条件处理以及网格的划分。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述流固耦合动力学参数计算机仿真子系统包括地形地貌及气象参数输入模块、流固耦合动力学参数仿真计算模块、实验参数知识库及学习修正模块、不同工况下的修正系数模块。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述的地形地貌及气象参数输入模块包括实际地形地貌参数的输入；实际气象参数的输入，所述实际气象参数温度、湿度、风速、风向；其他相关参数的输入，包括海拔、雨雪雾、高差关系；

所述的流固耦合动力学参数仿真计算模块包括特定地形地貌和气象条件下的流体动力学流场模型建模、特定条件下的流体力学系数的选择与计算、覆冰线路结构的仿真计算模型、利用Fluent软件进行导线舞动相关的空气动力学参数仿真计算；  

所述的不同工况下的修正系数模块包括冰型修正系数、导线型号修正系数、风速修正系数、位姿尾流修正系数。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述导线舞动计算机仿真子系统包括脉动风载施加模块、实时动载荷施加模块、输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块以及后处理模块。

在上述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，所述的脉动风载施加模块包括脉动风谱的选择与设计、脉动风载荷的实现与施加；

所述的实时动载荷施加模块包括各种不同载荷的处理模型、实时动载荷的计算与实时施加；

所述的输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块包括建立给定条件下的线路系统有限元仿真计算模型、线路系统动力学基本参数的选择与计算、仿真参数的选择与设计、边界条件的处理、基于ANSYS的输电导线舞动动力学仿真计算程序的编制。

因此，本发明具有如下优点：可以适应不同地形地貌、不同气象条件、不同风载荷激励、以及不同线路结构等工况条件的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，它具有良好的适应性可以用于工程中任意情况下输电导线的舞动计算和判断，求得系统的全部振动特征参数和力学参数，为线路系统的结构设计、疲劳强度设计、防舞设计以及输电线路的运行维护与管理提供必要的数据和技术指导。

附图说明

图1 是本发明的结构原理示意图。

图2 是本发明中应用的ANSYS命令流构成图。

图3是发明中导线的构形图。

图4 是发明中风洞系数仿真结果。

图5是发明中脉动风速时程图。

图6是发明中输入参数汇总界面。

图7是发明中导线三自由度模型。

图8是发明中命令流计算思路框图。

图9是发明中导线舞动水平，竖直，轴向，及扭转振动时程图。

图10是发明中导线舞动全时刻振型图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明包括3各子系统，即

1.动力学建模子系统：用于输入仿真导线舞动所需的数据参数以及建立系统的力学模型；

动力学建模子系统包括：工况参数输入模块、输电导线系统常用参数标准数据库模块、输电线路系统的有限元模型模块；各个模块用于：

（1）工况参数输入模块包括杆塔参数，所述杆塔参数包括几何结构尺寸、空间海拔、材料、绝缘子形式；导线参数，所述导线参数包括型号、分裂数、分裂布置、相间间隔棒参数；覆冰参数，所述覆冰参数包括覆冰的结构类型、覆冰的性质、覆冰的尺寸的输入，并将所有的输入变量进行参数化处理，以适应系统对不同工况和不同条件下的系统建模与分析；

（2）输电导线系统常用参数标准数据库模块包括输电线路系统常用材料参数数据库、常用导线型号及参数数据库、常用杆塔参数数据库、常用覆冰参数数据库以及数据库接口的设计；

（3）输电线路系统的有限元模型模块包括杆塔系统的有限元模型、导线系统的有限元模型、覆冰的有限元模型、间隔棒有限元模型；

（4）有限元模型包括系统的几何模型及力学模型的建立、材料性能参数定义、边界条件处理以及网格的划分。

上述几个模块之间的工作方式是：

将上述所需的数据部分标准内容做成输电导线系统常用参数标准数据库模块，将常用导线的型号及各种对应的参数根据手册编写成数据库，根据用户的输入自动生成材料参数，如密度、弹性模量、泊松比等；将常用杆塔结构做成杆塔数据库根据用户的输入在数据里面选择对应的杆塔，自动生成对应的材料、结构、尺寸等。将常用的覆冰参数做成数据库，根据用户的输入在数据库里面调取应的冰型，对应生成覆冰的材料等参数。

将用户输入的杆塔型号、导线型号、覆冰类型确定后生成输电线路系统的有限元模型模块，并将对应的材料参数付给生成的有限元模型，并对模型进行网格划分。

2.流固耦合动力学参数计算机仿真子系统：用于计算导线舞动所需要的空气动力学参数和系数；该流固耦合动力学参数计算机仿真子系统包括地形地貌及气象参数输入模块、流固耦合动力学参数仿真计算模块、实验参数知识库及学习修正模块、不同工况下的修正系数模块；各个模块用于：

（1）地形地貌及气象参数输入模块包括实际地形地貌参数的输入；实际气象参数的输入，所述实际气象参数温度、湿度、风速、风向；其他相关参数的输入，包括海拔、雨雪雾、高差关系；

（2）流固耦合动力学参数仿真计算模块包括特定地形地貌和气象条件下的流体动力学流场模型建模、特定条件下的流体力学系数的选择与计算、覆冰线路结构的仿真计算模型、利用Fluent软件进行导线舞动相关的空气动力学参数仿真计算；  

（3）不同工况下的修正系数模块包括冰型修正系数、导线型号修正系数、风速修正系数、位姿尾流修正系数。

上述几个模块的工作方式是：

建立已知导线舞动风洞系数实验数据知识库，根据已知的实验数据来修正FLUENT软件计算出来的风洞系数，然后对修正后的模型进行扩展，来保证风洞系数的准确性和完整性。

本发明根据实验数据修正的系数有不同冰型修正系数，不同导线直径修正系数，不同风速修正系数，不同位置修正系数。

导线舞动的计算机仿真模块为对建立好的模型进行非线性瞬态动力学计算，对于建立好的有限元模型，施加的载荷为：

载荷的大小：总风载荷Ftot等于平均风载荷Fq加上脉动风载荷Ft

其中C _L 是升力系数，C _D 是阻力系数，M是扭转系数，ρ为空气密度（kg/m³），Uq静风速为风速（m/s），

为脉动风速，D为迎风尺寸，此处为导线直径（m）。竖直与水平方向的合力分别为：

                       

其中

，

为导线竖直方向的速度。

所述的脉动风速

是根据地形地貌模拟出来的风速时程。所述的升力系数C_L，阻力系数C_D，扭转系数M，由动气动力学仿真计算模块计算得到。

3.导线舞动计算机仿真子系统：根据所建立的模型和仿真求得的空气动力学参数进行非线性瞬态动力学计算，输出仿真结果。该导线舞动计算机仿真子系统包括脉动风载施加模块、实时动载荷施加模块、输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块以及后处理模块；各个模块用于：

（1）脉动风载施加模块包括脉动风谱的选择与设计、脉动风载荷的实现与施加；

（2）实时动载荷施加模块包括各种不同载荷的处理模型、实时动载荷的计算与实时施加；

（3）输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块包括建立给定条件下的线路系统有限元仿真计算模型、线路系统动力学基本参数的选择与计算、仿真参数的选择与设计、边界条件的处理、基于ANSYS的输电导线舞动动力学仿真计算程序的编制。具体是采用ANSYS瞬态响应法，按照上述程序和模块所设定的模型和方法进行系统的实时瞬态仿真计算。

以下是采用上述系统进行仿真的具体实施例：

某二分裂330V线路的30#--31#档在实际运行中多次观察发现舞动现象。该档处于一个峡谷山坡的高地位置，线路的两个杆塔分别位于两侧海拔高度不同的山坡上,两侧导线悬挂点高差约为39米,实际观察该档距的覆冰为“D”型结构,其档距为200m,两杆塔绝缘子海拔差为40m,导线型号LGJ300/40,平均运行张力10000N。

计算结果：

    该地测得的平均风速为15m/s，考虑地形地貌的影响，用仿真软件计算导线中点所在的空间位置点处，风速的大小约为21m/s，风向与水平面的夹角约为15°.同时在导线上的不同位置点处，各点的风速和风向均不相同。

舞动过程中竖直方向最大振幅为4米,舞动的截面轨迹大体上为椭圆状,与导线舞动的理论分析相一致.对导线舞动仿真结果作频谱分析，所得到Y向振动为一主频约为0.45Hz的二阶振型，,这与所求得导线的二阶固有频率0.42139Hz接近,与理论分析一致.

将该仿真结果与该档距在实际中所观测到的舞动录像相对比，该舞动仿真结果和实际观测到的导线舞动现象在舞动的振型、振幅以及振动频率上都基本相符,这表明该仿真系统和仿真结果可信。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，包括

动力学建模子系统：用于输入仿真导线舞动所需的数据参数以及建立系统的力学模型；

流固耦合动力学参数计算机仿真子系统：用于计算导线舞动所需要的空气动力学参数和系数；

导线舞动计算机仿真子系统：根据所建立的模型和仿真求得的空气动力学参数进行非线性瞬态动力学计算，输出仿真结果。

2. 根据权利要求1所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，所述动力学建模子系统包括：工况参数输入模块、输电导线系统常用参数标准数据库模块、输电线路系统的有限元模型模块。

3.根据权利要求2所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，

所述工况参数输入模块包括杆塔参数，所述杆塔参数包括几何结构尺寸、空间海拔、材料、绝缘子形式；导线参数，所述导线参数包括型号、分裂数、分裂布置、间隔棒参数；覆冰参数，所述覆冰参数包括覆冰的结构类型、覆冰的性质、覆冰的尺寸的输入，并将所有的输入变量进行参数化处理，以适应系统对不同工况和不同条件下的系统建模与分析；

所述输电导线系统常用参数标准数据库模块包括输电线路系统常用

材料参数数据库、常用导线型号及参数数据库、常用杆塔参数数据库、常用覆冰参数数据库以及数据库接口的设计；

所述输电线路系统的有限元模型模块包括杆塔系统的有限元模型、导线系统的有限元模型、覆冰的有限元模型、间隔棒有限元模型；

所述的有限元模型包括系统的几何模型及力学模型的建立、材料性能参数定义、边界条件处理以及网格的划分。

4.根据权利要求1所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，所述流固耦合动力学参数计算机仿真子系统包括地形地貌及气象参数输入模块、流固耦合动力学参数仿真计算模块、实验参数知识库及学习修正模块、不同工况下的修正系数模块。

5. 根据权利要求4所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，

所述的地形地貌及气象参数输入模块包括实际地形地貌参数的输入；实际气象参数的输入，所述实际气象参数温度、湿度、风速、风向；其他相关参数的输入，包括海拔、雨雪雾、高差关系；

所述的流固耦合动力学参数仿真计算模块包括特定地形地貌和气象条件下的流体动力学流场模型建模、特定条件下的流体力学系数的选择与计算、覆冰线路结构的仿真计算模型、利用Fluent软件进行导线舞动相关的空气动力学参数仿真计算；  

所述的不同工况下的修正系数模块包括冰型修正系数、导线型号修正系数、风速修正系数、位姿尾流修正系数。

6. 根据权利要求1所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，所述导线舞动计算机仿真子系统包括：

包括脉动风载施加模块、实时动载荷施加模块、输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块以及后处理模块。

7. 根据权利要求6所述的架空输电导线舞动的计算机仿真平台系统，其特征在于，

所述的脉动风载施加模块包括脉动风谱的选择与设计、脉动风载荷的实现与施加；

所述的实时动载荷施加模块包括各种不同载荷的处理模型、实时动载荷的计算与实时施加；

所述的输电导线舞动的非线性瞬态动力学仿真计算模块包括建立给定条件下的线路系统有限元仿真计算模型、线路系统动力学基本参数的选择与计算、仿真参数的选择与设计、边界条件的处理、基于ANSYS的输电导线舞动动力学仿真计算程序的编制。

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