CN103514327A

CN103514327A - 一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法

Info

Publication number: CN103514327A
Application number: CN201310446747.5A
Authority: CN
Inventors: 刘纯
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; Hunan Xiangdian Test Research Institute Co Ltd
Current assignee: Xiang-Electric Experiment And Research Technology Co Of Hunan Province; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103514327B

Abstract

本发明公开了一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，通过对钢管杆参数的识别与提取，应用ANSYS软件的APDL命令流文件，编制不同形状、规格、结构型式的筒节和横担的有限元参数化建模程序，开发钢管断面特性参数计算、静力计算和动力计算模块，计算完成后，通过程序自动分析提取出需要的数据和图形。本发明的方法有效的提高了钢管杆力学计算效率和质量，解决了ANSYS软件在输电钢管杆力学计算中难度较高、针对性较差和专业软件计算精度不高、计算条件局限、计算数据不全等不足，为技术人员提供了一个良好的分析平台。

Description

一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法

技术领域

本发明涉及一种输电钢管杆有限元参数化建模和力学计算的方法。

背景技术

输电钢管杆为单杆结构，在城市送电线路工程中承受导线各种工作条件下的作用力，由于设计档距较小，排布较为密集，用量较大。钢管杆造价受到荷载大小、制造工艺、施工方法、运输距离、运行维护等因素的影响，在设计中应综合考虑上述因素。

通常输电钢管杆为变截面杆，截面形状为正4、6、8、12、16边形或圆形，横担结构为正6边形椎体或4边形偏心椎体，筒节与筒节、筒节与横担之间由法兰连接。设计时通常控制钢管杆整体挠度和筒体最大应力在限定的范围内。

目前在输电钢管杆设计方面存在的主要问题是：①钢管杆建模不规范，对变截面椎体杆形状和有限单元网格控制不严密；②荷载计算与实际工况存在偏差，不能有效的模拟冰、风、断线等工况；③计算数据较为单一，不能对筒节、法兰等部件重量进行计算，不能对关注点截面进行全面的力学分析。由于这些原因，在实际工程中钢管杆存在重量偏差较大、挠度超标等问题，这严重影响了输电线路安全性和可靠性。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元计算软件。由于ANSYS软件是进行有限元分析的通用性软件，其对具体项目分析的针对性较差。除此之外，ANSYS软件复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事输电钢管杆力学计算的技术人员造成很大的障碍。ANSYS软件除了具有较为完善的有限元分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具，其中APDL语言就是一种参数化设计解释性语言，通过由APDL语言编写的命令组成的APDL命令流文件可以调用ANSYS软件中的相应功能，从而自动完成分析任务。应用APDL命令实现ANSYS软件针对输电钢管杆力学计算的二次发，提高ANSYS软件针对钢管杆建模和力学计算的专业性和针对性，从而提高电力技术人员在钢管杆力学计算的效率和质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，解决现有输电钢管杆建模粗糙、精度低、准确性差的问题，提高输电钢管杆力学计算的效率和质量，为输电钢管杆设计提供指导，提高输电线路安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，该方法为：

1）识别输电钢管杆各部件的特性参数，建立输电钢管杆筒节与横担参数数组、输电钢管杆筒节几何参数数组、输电钢管杆横担几何参数数组、法兰参数数组、导地线参数数组和输电线路参数数组；

2）将上述各参数数组作为有限元分析软件的输入，建立输电钢管杆有限元模型，并对模型的节点、单元、截面型式、材料、结构型式进行复核；

3）计算输电钢管杆各筒节两端截面的特性参数，并将实际计算结果与理论计算数据进行对比分析，验证上述有限元模型的正确性；若所述有限元模型不正确，则返回2）；否则，进入4）；

4）设置以下计算条件：风速、风向、温度、覆冰厚度以及断线，根据设置的计算条件加载荷载，并计算输电钢管杆的最大计算应力、挠度，以及筒节、法兰的重量；

5）根据上述步骤4）的计算结果，获得输电钢管杆的应力云图和变形图。

所述步骤1）中，输电钢管杆筒节与横担参数数组元素包括筒节数量或横担数、横担截面多边形边数、筒节及横担整体长度单元尺寸、横担截面多边形单边划分后的单元数（通常网格越多，计算的精度越高,但消耗的资源越大,时间也越长,效率偏低,兼顾计算精度和效率, 通常将横担截面多边形单边划分为2～4个单元）；输电钢管杆筒节几何参数数组元素包括筒节高度、壁厚、上端内对边距、下端内对边距、横担设置点；输电钢管杆横担几何参数数组元素包括横担长度、壁厚，尾端边长、始端边长、横担高度；法兰参数数组元素包括法兰内直径、法兰外直径、法兰板厚、螺栓孔径、螺栓数量；导地线参数数组元素包括导地线直径、单位重量、拉断力、分裂数、安全系数、张力系数、覆冰后导地线外径；输电线路参数数组元素包括输电线水平档距、垂直档距、前档应力、后档应力。

所述步骤3）中，输电钢管杆各筒节两端截面的特性参数包括截面面积、截面惯性矩、计算点在X、Y轴的投影长度、回转半径、最大弯曲或最大扭转剪应力计算参数。此处的截面是指输电钢管杆任一横截面；所述计算点是指筒节截面的边与边的交点。

所述步骤3）中，验证有限元模型正确性的公式为：（实际计算结果-理论计算数据）/理论计算数据*100%<5%。

所述步骤4）中，输电钢管杆的最大计算应力、挠度，以及筒节、法兰重量计算过程为：最大计算应力为筒节的轴向应力和筒节的弯曲应力叠加之和；挠度为输电钢管杆顶部最大位移与输电钢管钢高度的比值；筒节、法兰的重量分别为筒节和法兰的体积乘以各自的密度和重力加速度。

横担截面是由多条边组成的多边形，多边形的每条边也可以根据需要设置划分单元，此处的单元数指的是每条边划分单元的数目。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明解决了输电钢管杆模型简单、可视化差、精度不足等问题，通过对钢管杆筒节和横担特征参数的识别与提取，实现了对变截面空心椎体结构的快速、高效建模，模型精度高，节点、单元数可控；解决了荷载计算中简化设置造成了计算误差问题，实现了覆冰、大风、断线等工况的静力计算和动力计算；解决了钢管杆计算结果单一，不能获取筒节任一位置轴向应力、弯曲应力、弯矩图、应力云图等计算信息的问题，实现了对任一截面轴力、应力、应变及相关图谱的计算数据获取，同时能对截面特性参数如面积、惯性矩、计算点在X、Y轴的投影长度、回转半径、最大弯曲或最大扭转剪应力计算参数等进行计算；提高了输电钢管杆力学计算的效率和质量，对输电钢管杆设计具有重大的指导意义，利用本发明的方法设计输电钢管杆，能极大地提高输电线路安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明方法在ANSYS软件上实现的过程；

图2为钢管杆筒节截面图。

具体实施方式

如图1所示，利用ANSYS软件实现本发明的过程如下：

第一步，输电钢管杆的参数识别与提取；

根据输电钢管杆结构，分主杆筒节和横担，分别识别部件的特性参数，并建立部件参数数组：钢管杆筒节与横担参数数组、筒节几何参数数组、横担几何参数数组、法兰参数数组、导地线参数数组、线路参数数组。

第二步，输电钢管杆参数化建模；

在编制的APDL命令流文件中输入部件参数数组，启动ANSYS软件，输入宏文件包、输入文件、主体程序等APDL命令流文件，调用自定义梁的截面、筒节建模、横担建模等宏文件，建立钢管杆有限元模型，对模型的节点、单元、截面型式、材料、结构型式进行复核；复核过程为：通过节点、单元、材料显示查看节点分布、单元型式、材料布置是否合适，通过钢管杆形状显示查看截面型式以及整体结构型式是否正确。

第三步，输电钢管杆断面特性参数计算；

调用断面特性数据计算宏文件对钢管杆各筒节两端点截面进行断面特性参数计算，将计算结构与理论计算数据进行对比分析，验证模型的正确性。

第四步，施加荷载进行力学计算；

根据荷载工况在APDL命令流文件中设置风速、风向、温度、覆冰厚度以及断线等计算条件，程序将根据参数设置加载相应的荷载，然后进行力学计算。

第五步，提取计算数据和图形。

提取钢管杆的最大计算应力、挠度，并可对筒节、法兰的重量进行计算，得到相应的应力云图和变形图。

实例：110GJ17-24输电钢管杆有限元参数化建模和力学计算

1、输电钢管杆的参数识别与提取。打开自编的APDL命令流参数输入文件，输入钢管杆和横担参数数组：筒节和横担的数量、截面多边形边数、长度以及多边形单元数；输入筒节几何参数数组：高度、壁厚、上端内对边距、下端内对边距；输入横担几何参数数组：长度、壁厚、小头侧边长、大头侧边长；输入法兰参数数组：内直径、外直径、板厚、螺栓孔径、螺栓数量；输入导地线参数数组：直径、单位重量、分裂数、张力系数；输入线路参数数组：水平档距、垂直档距、前档应力、后档应力。

2、输电钢管杆参数化建模。启动ANSYS软件，运行宏文件包、输入文件、主体程序等APDL命令流文件，建立钢管杆有限元模型，其筒节截面、筒节、横担及整体单元模型如图2所示，对模型的节点、单元、截面型式、材料、结构型式进行复核。

3、输电钢管杆断面特性参数计算。调用断面特性数据计算宏文件对钢管杆各筒节两端点截面进行断面特性参数计算，将计算结构与理论计算数据进行对比分析，验证模型的正确性。

4、施加荷载进行力学计算。根据荷载工况在APDL命令流文件中设置风速、风向、温度、覆冰厚度以及断线等计算条件，程序将根据参数设置加载相应的荷载，然后进行力学计算。

5、提取计算数据和图形。提取钢管杆的最大计算应力、挠度，并可对筒节、法兰的重量进行计算，得到相应的应力云图和变形图。

基于ANSYS软件的APDL命令流文件包括：

1）参数输入文件，包含钢管杆筒节与横担参数数组、筒节几何参数数组、横担几何参数数组、法兰参数数组、导地线参数数组、线路参数数组等6个参数数组。

2）宏定义文件，包含自定义梁的截面、筒节建模、横担建模、筒节重量计算、法兰重量计算、导线及地线风荷载计算、钢管杆风荷载计算、绝缘子风荷载计算、电线覆冰单位冰荷载计算、断面特性数据计算、钢管杆许用应力计算、钢管杆强度计算以及数据输出等宏文件。

3）主体程序，它通过读取的参数和调用宏文件实现钢管杆的建模、加载和力学计算。主体程序是编制的APDL命令流，它通过输入文件获取钢管杆的计算参数，通过引用宏定义文件中的相关函数完成建模和计算，如应用自定义梁的截面函数完成不同形状截面的定义，然后筒节建模函数完成钢管杆筒节的单元模型，通过钢管杆风荷载计算对钢管杆筒节各节点施加风荷载，等等。

本发明中，理论计算数据在DL/T 5130-2001《架空送电线路钢管杆设计技术规范》中有计算公式，为标准规定内容。

计算条件的设置在DL/T 5130-2001《架空送电线路钢管杆设计技术规范》有具体规定。

Claims

1.一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，其特征在于，该方法为：

2.根据权利要求1所述的输电钢管杆的有限元参数化建模方法，其特征在于，所述步骤1）中，输电钢管杆筒节与横担参数数组元素包括筒节数量或横担数、横担截面多边形边数、筒节及横担整体长度单元尺寸、横担截面多边形单边划分后的单元数；输电钢管杆筒节几何参数数组元素包括筒节高度、壁厚、上端内对边距、下端内对边距、横担设置点；输电钢管杆横担几何参数数组元素包括横担长度、壁厚，尾端边长、始端边长、横担高度；法兰参数数组元素包括法兰内直径、法兰外直径、法兰板厚、螺栓孔径、螺栓数量；导地线参数数组元素包括导地线直径、单位重量、拉断力、分裂数、安全系数、张力系数、覆冰后导地线外径；输电线路参数数组元素包括输电线水平档距、垂直档距、前档应力、后档应力。

3.根据权利要求1或2所述的输电钢管杆的有限元参数化建模方法，其特征在于，所述步骤3）中，输电钢管杆各筒节两端截面的特性参数包括截面面积、截面惯性矩、计算点在X、Y轴的投影长度、回转半径、最大弯曲或最大扭转剪应力计算参数；所述计算点是指筒节截面的边与边的交点。

4.根据权利要求3所述的输电钢管杆的有限元参数化建模方法，其特征在于，所述步骤3）中，验证有限元模型正确性的公式为：（实际计算结果-理论计算数据）/理论计算数据*100%<5%。

5.根据权利要求4所述的输电钢管杆的有限元参数化建模方法，其特征在于，所述步骤4）中，输电钢管杆的最大计算应力、挠度，以及筒节、法兰重量计算过程为：最大计算应力为筒节轴向应力和筒节弯曲应力叠加之和；挠度为输电钢管杆顶部最大位移与输电钢管钢高度的比值；筒节、法兰的重量分别为筒节和法兰的体积乘以各自的密度和重力加速度。