CN104166776A - 一种基于ansys的输电线路导线找形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的输电线路导线找形方法，包括以下步骤：根据悬链线公式计算输电线路导线的最低点坐标，判断最低点相对于导线的位置是在档内还是在档外；当最低点在档内时，通过调节弹性模量值，使得导线的ANSYS有限元模型经过提前设置好的最低点，获得输电线路的初始形态；当最低点在档外时，以最低点和相对高度较高的输电线路悬挂点为几何模型的两个端点，通过调节弹性模量值，使得导线的有限元模型经过相对高度较低的悬挂点，获得导线的初始形态。本发明适用于有高差、无高差、档内存在最低点和档内不存在最低点等多种情况，适用范围广。

Description

一种基于ANSYS的输电线路导线找形方法

技术领域

本发明属于一种输电线路找形方法，特别是一种基于ANSYS的输电线路导线找形方法。

背景技术

随着我国的经济发展越来越迅速，对于电力系统的要求也越来越高。输电线路作为电网系统中的重要组成部分，对其安全性与稳定性的要求也越来越高。对输电线路进行各种力学分析，是计算电网安全、稳定的基础。输电导线是一种悬索结构，只能受拉而不能受压，对导线初始状态的分析，是其后对导线覆冰舞动、脱冰跳跃等动力分析的基础，导线找形的正确与否直接影响着动力分析的精确程度。

导线找形就是指导线在只受自重荷载的情况下，变形为悬链线状态的初始形状。目前对于导线找形的分析方法主要是解析法，但是解析法需要大量的计算，过程繁琐，容易出错。

在基于ANSYS有限元软件的众多方法中，常用的有直接迭代法、小弹性模量法和V形虚曲线法。直接迭代法赋予全部实际单元属性和材料常数，以水平张力为收敛条件进行多次迭代，得到最终形状，但是直接迭代法的迭代次数不确定，会出现不收敛的情况；小弹性模量法是选择一个非常小的弹性模量来进行迭代，找形结束后恢复真实弹性模量；但弹性模量的数值选择需要凭经验来选择，选择不同，得到的精度也不同；V形虚曲线法是以两端悬挂点和理论最低点为基础，三点构成V形，再进行迭代，最终得到导线初始形状，V形虚曲线法则只适用于无高差，档内存在最低点的情况，适用范围较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用范围广，精确度高，操作简单的基于ANSYS的输电线路导线找形方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

步骤1、确定输电线路的最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内；所述档内为悬挂点之间的距离范围；

步骤2、在ANSYS界面下建模：当最低点在档内时，以输电导线的两个实际悬挂点为几何模型的端点；当最低点在档外时，以档外的最低点和两个悬挂点中较高的悬挂点为几何模型的两个端点；

步骤3、对步骤2中建立的几何模型赋置单元属性和材料常数，并划分网格；

步骤4、将两个端点进行完全约束，施加自重荷载；

步骤5、调节几何模型的弹性模量值，对几何模型进行非线性迭代计算；

步骤6、观察形变图：当最低点在档内时，若位移形变图穿过了最低点，则停止非线性迭代，进入下一个步骤，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算；当最低点在档外时，若位移形变图穿过了位置较低的悬挂点，则停止迭代，进入下一个步骤，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算；

步骤7、更新坐标，在每个节点上创建关键点；

步骤8、将各个关键点之间进行连接，创建新的几何模型；

步骤9、对新的几何模型赋单元属性和材料常数，划分网格，恢复弹性模量的实际值，得到导线初始形状，找形结束。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明适用于有高差、无高差、档内存在最低点和档内不存在最低点等多种情况，适用范围广泛；(2)本发明采用小弹性模量法中的对实际弹性模量的调整，与直接迭代法的非线性计算相结合，迭代次数少，更易收敛，结果更精确。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于ANSYS的输电线路导线找形方法的流程图。

图2为本发明的实施例1建立的导线模型图。

图3为本发明的实施例1将参考坐标系移至最低点的示意图。

图4为本发明的实施例1进行非线性求解，使模型通过参考坐标系的示意图。

图5为本发明的实施例1找形前后导线形状对比示意图。

图6为本发明的实施例2建立的导线模型示意图。

图7为本发明的实施例2进行非线性求解的几何模型示意图。

图8为本发明的实施例2找形前后导线形状对比示意图。

图9为本发明的实施例2导线找形完成后的导线形状示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，包括以下步骤：

步骤1、确定输电线路的最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内；所述档内为悬挂点之间的距离范围；具体为：

以左侧悬挂点为坐标原点，输电线路最低点的坐标(x,y)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}}\\ y=\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}[1-\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\σ}}_o}(\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}})]\end{array}\right.$

其中，σ_o为输电线路最低点处的轴向应力；γ为输电线路单位长度、单位截面积上承受的载荷；l为档距，即相邻两个悬挂点间垂直于载荷方向的投影距离；h为相邻两个悬挂点间沿载荷方向的高差，当右侧悬挂点高于左侧悬挂点时，h为正值，反之为负值；L_h＝0为两侧悬挂点在等高情况下的档内悬链线线长；

若最低点的横轴坐标值为负，则最低点在档外；若最低点的横轴坐标值为正，则最低点在档内。

步骤2、在ANSYS界面下建模：采用笛卡尔全局坐标系，对导线模型采用自下而上的建模方法，当最低点在档内时，以输电线路导线的两个悬挂点为端点建立直线几何模型；当最低点在档外时，以最低点与较高悬挂点为端点建立直线几何模型；

步骤3、对步骤2中建立的几何模型赋置单元属性和材料常数，并划分网格；所述材料常数包括导线截面积、弹性模量和密度，单元格按照每个单元长度为1m来划分；

步骤4、将两个端点进行完全约束，施加自重荷载；

步骤5、调节几何模型的弹性模量值，采用牛顿—拉夫逊算法对几何模型进行非线性迭代计算；弹性模量值小于弹性模量的实际值；

步骤6、观察形变图：当最低点在档内时，将ANSYS的WP坐标系作为参考坐标系移至最低点处，观察位移形变图是否经过WP坐标系，若经过，则停止非线性迭代，进行步骤7，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算；当最低点在档外时，观察位移形变图是否经过较低的悬挂点，若经过，则停止非线性迭代，进行步骤7，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算。

步骤7、更新坐标，在每个节点上创建关键点；

步骤8、当最低点在档内时，清除单元属性，删除原有的几何模型，依次连接关键点，形成新的几何模型；当最低点在档外时，清除单元属性，删除最初几何模型、最低点以及最低点与较低悬挂点之间的所有关键点，依次连接剩余关键点；

步骤9、对新的几何模型赋单元属性和材料常数，划分网格，恢复弹性模量的实际值，得到导线初始形状，找形结束。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

根据导线只能受拉不能受压的性质，选用ANSYS中的link10单元模拟导线。

结合图1，基于ANSYS的输电线路导线找形方法，包括以下步骤：

步骤1、确定最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内：

以左侧悬挂点为坐标原点，输电线路最低点的坐标(x,y)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}}\\ y=\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}[1-\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\σ}}_o}(\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}})]\end{array}\right.$

其中，σ_o为输电线路最低点处的轴向应力；γ为输电线路单位长度、单位截面积上承受的载荷；l为档距，即相邻两个悬挂点间垂直于载荷方向的投影距离；h为相邻两个悬挂点间沿载荷方向的高差，当右侧悬挂点高于左侧悬挂点时，h为正值，反之为负值；L_h＝0为两侧悬挂点在等高情况下的档内悬链线线长；

其中，σ_o为7.1028e^-4，γ为0.032777，l为150m，h为0，L_h＝0为150.0563；

最低点的横轴坐标值为正，故最低点在档内；

步骤2、如图2所示，采用笛卡尔全局坐标系，对导线模型采用自下而上的建模方法，以两个悬挂点为两端点、以最低点为第三关键点，创建导线模型；

步骤3、对直线赋予单元属性和材料属性并进行网格划分；其中，导线截面积338.99e^-6m²，密度为3342.28，弹性模量的实际值为7.3e¹⁰；网格划分单元格每个单元长度为1m；

步骤4、将两端点进行完全约束，施加自重荷载2800N；

步骤5、如图3所示，将参考坐标系移动至最低点处的关键点；选择一个较小的弹性模量值，采用完全牛顿—拉夫逊算法进行非线性迭代计算；

步骤6、如图4所示，观察位移形变图，若经过最低点处参考坐标系，则停止，若未经过，则调整弹性模量的数值，继续求解，直至经过为止；

步骤7、更新坐标，在所有节点上创建关键点，所述节点为划分网络时形成的交点；

步骤8、清除模型的单元属性，然后删除之前的几何模型，重新用直线将所有关键点连接起来；

步骤9、对新的几何模型赋予单元属性和实际常数，进行网格划分，恢复弹性模量的实际值，得到导线初始形状，找形结束；

图5为找形前后导线形状对比示意图。

实施例2

结合图1，选用ANSYS中的link10单元模拟导线，基于ANSYS的输电线路导线找形方法包括以下步骤：

步骤1、确定最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内：

以左侧悬挂点为坐标原点，输电线路最低点的坐标(x,y)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}}\\ y=\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}[1-\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\σ}}_o}(\frac{l}{2}-\frac{{\mathrm{\σ}}_o}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{sh}}^{-1}\frac{h}{L_{h=0}})]\end{array}\right.$

其中，σ_o为输电线路最低点处的轴向应力；γ为输电线路单位长度、单位截面积上承受的载荷；l为档距，即相邻两个悬挂点间垂直于载荷方向的投影距离；h为相邻两个悬挂点间沿载荷方向的高差，当右侧悬挂点高于左侧悬挂点时，h为正值，反之为负值；L_h＝0为两侧悬挂点在等高情况下的档内悬链线线长；

其中，σ_o为6.0513e-4，γ为0.032777，l为200m，h为30m，L_h＝0为202.4193；

最低点的横轴坐标值为负，故最低点在档外；

步骤2、以步骤1计算得到的最低点和较高位置的悬挂点为两端点，以较低位置悬挂点为第三关键点创建导线模型，如图6所示；

步骤3、对直线赋予单元属性和材料常数并进行网格划分；其中，导线截面积338.99e^-6m²，密度为3342.28，弹性模量的实际值为7.3e¹⁰；网格划分单元格每个单元长度为1m；

步骤4、将两端点进行完全约束，施加自重荷载2800N；

步骤5、选择比弹性模量的实际值小的弹性模量，采用完全牛顿—拉夫逊算法进行非线性迭代计算；

步骤6、观察位移形变图，若经过坐标系原点，则停止，若未经过，则调整弹性模量值，进行求解，直至通过为止，如图7所示；

步骤7、更新坐标，在每个节点上创建关键点；

步骤8、清除单元属性，最初的几何模型、最低点以及最低点与较低悬挂点之间的所有关键点，依次连接剩余关键点；

步骤9、对新模型赋予单元属性和实际常数并进行网格划分，恢复真实弹性模量，得到导线初始形态，找形结束。

图8为找形前后导线形状对比示意图，图9为导线找形完成后的导线形状示意图。

本发明的一种基于ANSYS的输电线路导线找形方法迭代次数少，更易收敛，精确度高，操作简单，适用于有高差、无高差、档内存在最低点和档内不存在最低点等多种情况，适用范围广。

Claims (7)

1.一种基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，包括以下几个步骤： 

步骤1、确定输电线路的最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内；所述档内为悬挂点之间的距离范围； 

步骤2、在ANSYS界面下建模：当最低点在档内时，以输电导线的两个实际悬挂点为几何模型的端点；当最低点在档外时，以档外的最低点和两个悬挂点中较高的悬挂点为几何模型的两个端点； 

步骤3、对步骤2中建立的几何模型赋置单元属性和材料常数，并划分网格； 

步骤4、将两个端点进行完全约束，施加自重荷载； 

步骤5、调节几何模型的弹性模量值，对几何模型进行非线性迭代计算； 

步骤6、观察形变图：当最低点在档内时，若位移形变图穿过了最低点，则停止非线性迭代，进入下一个步骤，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算；当最低点在档外时，若位移形变图穿过了位置较低的悬挂点，则停止迭代，进入下一个步骤，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算； 

步骤7、更新坐标，在每个节点上创建关键点； 

步骤8、将各个关键点之间进行连接，创建新的几何模型； 

步骤9、对新的几何模型赋单元属性和材料常数，划分网格，恢复弹性模量的实际值，得到导线初始形状，找形结束。 

2.根据权利要求1所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤1中计算输电线路的最低点坐标，判断最低点相对于输电线路的位置是否在档内具体为： 

以左侧悬挂点为坐标原点，输电线路最低点的坐标(x,y)计算公式为： 

其中，σ_o为输电线路最低点处的轴向应力；γ为输电线路单位长度、单位截面积上承受的载荷；l为档距，即相邻两个悬挂点间垂直于载荷方向的投影距离；h为相邻两个悬挂点间沿载荷方向的高差，当右侧悬挂点高于左侧悬挂点时，h为正值，反之为负值；L_h＝0为两侧悬挂点在等高情况下的档内悬链线线长； 

若最低点的横轴坐标值为负，则最低点在档外；若最低点的横轴坐标值为正，则最低点在档内。 

3.根据权利要求1所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤2中在ANSYS界面下建模具体为： 

采用笛卡尔全局坐标系，对导线模型采用自下而上的建模方法，当最低点在档内时，以输电线路导线的两个悬挂点为端点建立直线几何模型；当最低点在档外时，以最低点与较高悬挂点为端点建立直线几何模型。

4.根据权利要求1所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤3中所述材料常数包括导线截面积、弹性模量和密度，单元格按照每个单元长度为1m来划分。 

5.根据权利要求1所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤5中所述弹性模量值小于弹性模量的实际值，对几何模型进行非线性迭代计算采用牛顿—拉夫逊算法。 

6.根据权利要求3所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤6中，当最低点在档内时，将ANSYS的WP坐标系作为参考坐标系移至最低点处，观察位移形变图是否经过WP坐标系，若经过，则停止非线性迭代，进行步骤7，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算；当最低点在档外时，观察位移形变图是否经过较低的悬挂点，若经过，则停止非线性迭代，进行步骤7，否则，调整弹性模量值，继续进行非线性迭代计算。 

7.根据权利要求6所述的基于ANSYS的输电线路导线找形方法，其特征在于，步骤8所述将各个关键点之间进行连接，创建新的几何模型具体为：当最低点在档内时，清除单元属性，删除原有的几何模型，依次连接关键点，形成新的几何模型；当最低点在档外时，清除单元属性，删除最初的几何模型、最低点以及最低点与较低悬挂点之间的所有关键点，依次连接剩余关键点。