CN104063564B - 基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，提出了一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法。首先针对铁塔进行有限元建模，然后施加一定的载荷，在该载荷的作用下，分别求出分析塔身各结构的Y、Z轴方向的极值应力，计算出相应的应力云图，然后根据出现的极值应力情况选取应力较大的若干点作为重点安装点候选处。因此，本发明具有如下优点：1.综合考虑了杆塔构件各方向的应力，并考虑了恶劣工况下的情况；2.研究结果适应性广，可直接应用于各类塔形。

Description

基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法

技术领域

本发明涉及电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，尤其是涉及一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法。

背景技术

随着我国经济的蓬勃发展，我国电力工业处于迅速发展期，铁塔作为电力系统架空输电线路的重要组成部分，起着不可或缺的作用。由于最近几年电力线路断线、倒塔等事故频发，特别是在冬季线路敷冰较厚的线路上，断线、倒塔的概率更高。对于防止该类事故的发生一直是关注及研究的重点。

鉴于输电线路的结构特点，铁塔承受了整条线路的重量，并产生一定的张力负荷，使得线路能够架空悬挂。因此对于线路而言，在铁塔预加线路力学载荷的情况下，铁塔的受力分布情况反映了线路的力学载荷情况，同时也反映了线路导、地线等的耐张力情况。

由于塔材在受到外加力的情况下，塔材本身会产生一定程度的受力变形。在通常情况下，该变形程度难以直接观测到，但可通过应力应变设备对这种微观上的变形量进行测量，进而确定该塔材的受力情况。首先通过有限元分析判断铁塔的薄弱的位置，然后选择多个点安装应变量测量，得到不同部位的受力情况，通过对该铁塔受力情况的连续监测，可得到铁塔的受力变化情况。

目前国内有些科研机构已经开始对铁塔的应力进行测量，但是其应力传感器的测量部位是凭经验值来确定，没有进行科学性分析来选点。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种解决了工程中的难题，适应性广，可直接应用于各类塔形的一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法。

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：

一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据该铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔的三维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参数根据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟；

步骤2，载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载荷选取对象；，由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风荷载,结构计算就能够按静力方法进行；

步骤3，针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行模态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风荷载的背景分量因子，其中需要用到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，获取结构的第1阶自振频率：

输电塔风荷载计算公式：

w＝β_zμ_sμ_zw₀

其中，β_z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ_s为体型系数，根据规范可查得；μ_z为风压高度变化系数，根据此公式得出铁塔的风载荷分布；

步骤4，根据步骤3得到的输电塔风荷载分析并计算极值应力：施加风荷载后，利用有限元ANSYS模块计算轴向应力以及Y、Z方向的弯曲应力，然后按下面的方法组合出各每个单元的极值应力：

应力一：截面Y向上部极值应力＝轴向应力+Y向上部弯曲应力；

应力二：截面Y向下部极值应力＝轴向应力+Y向下部弯曲应力；

应力三：截面Z向上部极值应力＝轴向应力+Z向上部弯曲应力；

应力四：截面Z向下部极值应力＝轴向应力+Z向下部弯曲应力；

步骤5，根据主材和斜材的应力分布情况确定应力传感器位置：具体是在步骤4得出的应力极值，分别对主材和斜材应力分布图中的应力值排序，获得前N个应力最大的点N的多少依据要安装的应力传感器个数而定，其中斜材由于不是主要承重结构，仅计算主材应力分布情况即可。

因此，本发明具有如下优点：1.考虑实际铁塔应力监测中的需要，研究了应力传感器的放置点。2.综合考虑了杆塔构件各方向的应力，并考虑了恶劣工况下的情况；3.研究结果解决了工程中的难题，适应性广，可直接应用于各类塔形。

附图说明

附图1实施例中铁塔的有限元模型。

附图2是实施例中铁塔截面Y向上的极值应力示意图。

附图3是实施例中铁塔截面Y向下的极值应力示意图。

附图4是实施例中铁塔截面Z向上的极值应力示意图。

附图5是实施例中铁塔截面Z向下的极值应力示意图。

附图6是实施例中铁塔斜材杆的最大应力处示意图。

附图7是实施例中铁塔主杆的最大应力处示意图。

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：

一、首先介绍本发明的方法步骤，具体包括以下步骤：

步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据该铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔的三维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参数根据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟；

步骤2，载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载荷选取对象；，由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风荷载,结构计算就能够按静力方法进行；

步骤3，针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行模态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风荷载的背景分量因子，其中需要用到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，获取结构的第1阶自振频率：

输电塔风荷载计算公式：

w＝β_zμ_sμ_zw₀

其中，β_z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ_s为体型系数，根据规范可查得；μ_z为风压高度变化系数，根据此公式得出铁塔的风载荷分布；

步骤4，根据步骤3得到的输电塔风荷载分析并计算极值应力：施加风荷载后，利用有限元ANSYS模块计算轴向应力以及Y、Z方向的弯曲应力，然后按下面的方法组合出各每个单元的极值应力：

应力一：截面Y向上部极值应力＝轴向应力+Y向上部弯曲应力；

应力二：截面Y向下部极值应力＝轴向应力+Y向下部弯曲应力；

应力三：截面Z向上部极值应力＝轴向应力+Z向上部弯曲应力；

应力四：截面Z向下部极值应力＝轴向应力+Z向下部弯曲应力；

步骤5，根据主材和斜材的应力分布情况确定应力传感器位置：具体是在步骤4得出的应力极值，分别对主材和斜材应力分布图中的应力值排序，获得前N个应力最大的点N的多少依据要安装的应力传感器个数而定，其中斜材由于不是主要承重结构，仅计算主材应力分布情况即可。

二、以下是结合本发明的具体一个实施案例。

步骤1、输电铁塔有限元模型的建立。

本输电塔有限元模型以南方某500kV送电线路的猫头塔为原型建立，该塔总高为48.5米，其主材用Q345钢，其余材料为Q235钢材，材料密度为ρ＝7850kg/m³，弹性模量E＝2.06×10⁵MPa，由荷载规范，钢结构的结构阻尼比ξ＝0.01。各杆件均为L型截面形式；y轴为竖向，z轴为挂导线方向。建立起的模型如图1所示。图1中所有单元均三维梁单元BEAM188。此模型具有513个节点数，1298个梁单元数，塔与基础固接，并假设材料处于弹性工作阶段。

步骤2、采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，结构的前5阶自振频率计算结果如下表：

表1 结构的前5阶震动频率

步骤3、风载荷的计算。

该塔场地条件为A类地貌，基本风速为v₀＝30m/s，则基本风压为

输电塔风荷载计算公式：

w＝β_zμ_sμ_zw₀

其中，β_z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ_s为体型系数，根据规范可取2.3；μ_z为风压高度变化系数，可以查相关规范。为便于各节点加载过程编程计算，也可按指数型风剖面得到其在A类地貌下的计算公式：

计算得到的风荷载相关参数沿高分布结果如下表：

表2 风荷载相关参数沿高分布

步骤4、计算极值应力。

截面Y向上部极值应力、截面Y向下部极值应力、截面Z向上部极值应力、截面Z向下部极值应力分别为图2、图3、图4、图5。

步骤5、确定传感器位置。

对比此四种极值应力结果，可以发现，整个结构中的最大应力出现在第一种组合中，最大拉应力为153.3MPa，单元号836，位于标高16.7米上部，侧风面的斜拉杆。最大压应力为190.2MPa，单元号847，位于标高13.5米下部，侧风面的斜撑杆,如图6所示；主杆上的最大拉应力出现在迎风面的最底部单元，其值约为108.1MPa，最大压应力出面在背风面的对应位置，其值约为136.1MPa，如图7所示。

因为此次塔上拟装12个点，综合以上因素考虑，考虑到主杆是主要承重结构，如果仅仅监控主杆的话，根据图7,选取607单元层面、604单元层面、603单元层面作为监视对象。因为这3个层面受的拉压应力最大。每个层面对称安装4个应变计。

此外，还可另外在斜杆的最大拉压应力受力处安装应力传感器，监视斜杆的受力情况。2个应变计装在16.7米836单元层面，2个装在13.5米847单元层面，分别对应着斜杆的最大拉压应力受力处，此斜杆安装点候选。

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 (1)

1.一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据该铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔的三维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参数根据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟；

步骤2，载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载荷选取对象；由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风载荷,结构计算就能够按静力方法进行；

步骤3，针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行模态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风载荷的背景分量因子，其中需要用到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，获取结构的第1阶自振频率：

输电塔风载荷计算公式：

w＝β_zμ_sμ_zw₀

其中，β_z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ_s为体型系数，根据规范可查得；μ_z为风压高度变化系数，根据此公式得出铁塔的风载荷分布；

步骤4，根据步骤3得到的输电塔风载荷分析并计算极值应力：施加风载荷后，利用有限元ANSYS模块计算轴向应力以及Y、Z方向的弯曲应力，然后按下面的方法组合出各每个单元的极值应力：

应力一：截面Y向上部极值应力＝轴向应力+Y向上部弯曲应力；

应力二：截面Y向下部极值应力＝轴向应力+Y向下部弯曲应力；

应力三：截面Z向上部极值应力＝轴向应力+Z向上部弯曲应力；

应力四：截面Z向下部极值应力＝轴向应力+Z向下部弯曲应力；

步骤5，根据主材和斜材的应力分布情况确定应力传感器位置：具体是在步骤4得出的应力极值，分别对主材和斜材应力分布图中的应力值排序，获得前N个应力最大的点N的多少依据要安装的应力传感器个数而定，其中斜材由于不是主要承重结构，仅计算主材应力分布情况即可。