CN104504167B - 一种输电杆塔结构静态力学分析系统及其仿真方法 - Google Patents
一种输电杆塔结构静态力学分析系统及其仿真方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种输电杆塔结构静态力学分析系统及其仿真方法，其利用有限元分析软件的开发功能对输电杆塔进行建模，并集成输电杆截面型材、杆件材料，通过直接输入输电杆塔的实际工况数据计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，并对载荷进行综合分析处理以生成分析报告、应力云图、变形云图，其减少了繁琐的计算过程和操作过程，使得输电杆塔的设计变得快速有效。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电杆塔结构静态力学分析系统及其仿真方法，具体是一种分析输电杆塔结构在风载和覆冰载荷条件下的静力学分析方法，属于电力工业技术领域。
背景技术
输电杆塔是支撑架空输电线路导线和地线并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的杆形和塔形的构筑物，其安全可靠性直接关系到整个输电线路的安全运行。在架空输电线路工程中，杆塔建设费用约占本体投资的30％甚至以上，直接决定着线路的经济性。
传统的杆塔设计方法是手工计算，采用结构力学及有限元方法对其进行力学性能分析，这要求设计人员具备丰富的杆塔设计及分析计算的经验。采用有限元方法分析时，工程中一般采用空间桁架模型来处理。在杆塔的结构强度研究方面，有较完善的理论基础及相应的设计规范，随着电子计算机的发展，杆塔分析软件也逐级出现，比如东北电力设计院用Fortran77编写的自立式杆塔内力分析软件，但是其严格的数据准备及输入要求、繁琐的操作过程，使其应用不具有通用性和普遍性；很多设计单位基于商业有限元软件开展杆塔的力学分析，如西南电力设计院联合重庆大学基于ABAQUS开展220kV高压输电线路风偏有限元模拟研究；湖南电力试验研究院利用ANSYS软件分析了塔线体系结构，分析其在覆冰荷载下的应力和位移变形情况，计算极限覆冰荷载及杆塔倒塌的破坏型式。这种基于商业软件的力学分析方法，由于杆塔结构的建模及分析流程相当繁琐，花费周期很长，成本较高。
发明内容
本发明技术的目的在于：提供一种输电杆塔快速建模，并进行力学分析的系统和仿真方法，并通过交互式是数据输入，使系统自动执行仿真分析、进行仿真结果评估并完成仿真分析报告输出。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种输电杆塔结构静态力学分析系统，包括输电杆建模模块和力学性能评估模块；其特征在于：输电杆建模模块包括塔身子模块、导线子模块、塔身塔头装配子模块、输电杆截面型材库子模块、输电杆材料库子模块、塔头模型库子模块，力学性能评估模块包括载荷计算模块、综合分析处理模块以及实际工况数据输入模块，其中载荷计算模块根据各子模块的模型数据和实际工况数据输入模块的数据计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，综合分析处理模块通过有限元分析方法对输电杆塔模型的载荷进行综合分析处理。
优选的，输电杆建模模块基于有限元分析软件ANSYS，对塔身子模块、导线子模块、塔身塔头装配子模块进行建模，对输电杆截面型材库子模块、输电杆材料库子模块、塔头模型库子模块进行数据库封装。
优选的，力学性能评估模块基于TCL/TK脚本语言，结合输电杆建模模块各个子模块和输电杆塔的实际工况数据，调用C语言计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，并加载载荷通过有限元分析方法对其进行综合分析处理以生成分析报告、应力云图、变形云图。
一种输电杆塔结构静态力学分析的仿真方法，其特征在于包括如下步骤：
a.通过有限元分析软件对输电塔的塔身、塔头、导线的真实模型进行建模，并建立塔头库、材料库、截面型材库；
b.结合塔头库将塔身塔头进行装配；
c.结合截面型材库和材料库进行模型属性分配；
d.根据输电杆塔的实际工况数据计算装配好的输电杆塔模型在自重、风力、覆冰作用下的载荷；
e.根据有限元分析方法对输电杆塔模型的载荷进行综合分析并生成分析报告、应力云图、变形云图。
优选的，步骤a中的有限元分析软件采用ANSYS。
优选的，步骤d中载荷计算是通过调用c语言编写的载荷计算公式完成的。
优选的，该仿真方法基于上述分析系统。
本发明采用了通用商业有限元软件ANSYS，通过定制开发，构建了专业分析系统，实现了输电杆塔的快速建模及输电杆塔的力学性能评估。其中还涉及到了TCL/TK脚本语言开发技术和应用数据库封装技术及风载荷计算方法，但本发明也可以采用其他商业有限元分析软件。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
输电杆塔结构静态力学分析软件系统是在ANSYS商业软件的基础上，对输电杆塔力学性能评估的基础数据、分析流程、规范和经验进行了集成和封装，构建基于模板的专业化建模环境、不同工况的分析计算环境以及基于规范的结果评估环境，进而规范了杆塔建模过程及性能评估过程、实现了通用软件的专业化、降低了软件的使用门槛、提高了仿真计算的效率和质量。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详
细的说明，其中，
图1是本发明所述的系统结构的结构图；
图2是本发明所述的系统仿真方法的流程图；
图3是本发明实施例所述的APDL命令流图；
图4是本发明实施例所述的创建材料命令图；
图5是本发明实施例所述的载荷加载UI界面；
图6猫头塔设置界面图；
图7整体变形云图。
具体实施方式
本发明所述的输电杆塔静力学仿真方法对应的系统，其结构如图1所示，包括输电杆建模模块和力学性能评估模块；输电杆建模模块包括塔身子模块、导线子模块、塔身塔头装配子模块、输电杆截面型材库子模块、输电杆材料库子模块、塔头模型库子模块，力学性能评估模块包括载荷计算模块、综合分析处理模块以及实际工况数据输入模块，其中载荷计算模块根据各子模块的模型数据和实际工况数据输入模块的数据计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，综合分析处理模块通过有限元分析方法对输电杆塔模型的载荷进行综合分析处理。本发明的输电杆塔结构静态力学分析方法的理论计算公式如下：
其中，[M]表示单元质量矩阵；Q(d)表示内部力矢量；表示单元热应力刚度矩阵；FE表示单元外部力矩阵；
本发明所述的一种输电杆塔结构静态力学分析仿真方法包括如下步骤：
(1)根据真实模型建立杆塔塔身和导线的几何模型，具体过程如下：首先根据杆塔设计图纸，得到杆件的坐标值。在软件中使用点-线的模式建立杆塔模型。在建立模型之后，合并重合的关键点。
(2)使用塔头数据库，进行塔身塔头装配操作，根据位置坐标，先建立塔头模型的各个关键点参数化数据，整理出每个关键点之间的关系并连接成杆，最终形成塔头模型。每个塔头模型库包含塔头主材和辅材两部分，通过主材和辅材的定位关系，自动将两部分组装成整个塔头模型。塔身塔头的装配通过选择定位节点，将整个塔头模型装配到塔身上。其中，参数化的塔头使用如图3所示的APDL命令流。
(3)使用截面型材库和材料库进行模型属性分配，将实际工程中常用的材料使用ANSYSAPDL语言按图4所示封装成材料库。仿真分析时，选择材料名称自动加载该材料的所有属性，减少了手动定义材料属性的工作。
(4)网格划分
根据分析模型的大小和规模，设置相应的网格尺寸大小，进行网格的生成。
(5)固定约束和加载载荷
在杆塔的正常运行中，受到的载荷主要有导线自重、风力、覆冰的作用以及年平均气温的影响。通过图5所示的UI界面，输入输电杆塔的实际工况数据进行系统载荷的生成和加载。
(6)求解计算和生成报告
根据上述前处理模块的设置生成求解文件，调用ANSYS的求解器进行求解计算。计算完成后，通过UI系统生成计算报告。
下面通过具体实施案例来说明本发明的实施方式：
本案例选取包含一个承重塔和两端的耐张塔的三塔四线模型进行静力学分析，具体步骤如下：
(1)建立塔身模型
首先，建立中间塔塔身模型。利用该系统开发的界面，依次输入节点编号，节点坐标(1，-2.2，2.2，26.9；2，-2.59，2.59，31.4；3，-2.83，2.83，34.2；4，-3.07，3.07，37.0；…)，利用Ansys软件功能，生成KeyPoint,通过连接KeyPoint形成杆件Line,并最终生成中间塔塔身模型。
其次，建立两端塔塔身模型。利用本系统两端塔塔身建模界面，一次输入节点编号，节点坐标(66，-1.7，-41.7，28.0；67，-1.9，-41.9，31.0；71，-2.2，-42.2，33.9；…)连接生成杆件。通过塔身相对中间塔塔身的位置(跨度40米，角度0度，高度差7米)生成两端塔塔身模型。
(2)塔身塔头装配
系统集成的塔头库包括杆子塔塔头、猫头塔塔头和羊角塔塔头。
a)先装配中间塔塔头(猫头塔塔头)。首先，选择最上面截面的节点作为装配基准；选择的节点坐标将作为参数传递给猫头塔模型，进行塔头生成。其次，在猫头塔塔头参数设置界面(图6)输入相应参数；最后，依次点击【装配塔头受力材】【装配塔头辅助材】装配猫头塔塔头；
b)装配两端塔塔头(猫头塔塔头)。按照a)的操作步骤进行塔头装配。两端塔高度定位通过三座塔的横担高来进行定位。
(3)定义塔体模型截面和材料属性
塔体模型采用ansysBeam189梁单元，需要进行截面属性的定义。系统中集成的材料有Q235,Q345,Q420,Q490,Q390等几种钢材属性。集成的截面库包括等边角钢和无缝钢管两类。型号名代表的意思为：
例1：型号D91420,后两位数字代表钢管厚度；前两位/三位数字代表钢管外径。D--无缝钢管；914—钢管外径,914mm；20—钢管厚度,20mm。
例2：型号L5004,后两位数字代表角钢厚度；前两位/三位数字代表角钢长度。L—等边角钢；50—角钢长度，50mm；04—角钢厚度，4mm。
首先定义塔体材料，塔体材料选择Q345钢；其次定义塔体的截面形状，受力部件使用等边角钢L20024，辅助部件使用等边角钢L8010。
(4)建立导线模型
该模型建模中忽略绝缘子等部件，将导线和杆塔的横担等位置直接连接。每个塔头上连接四条导线。
(5)定义导线属性考虑导线的扭曲变形，使用ansysBeam189梁单元。截面定义为实心圆形截面，直径d＝32.76mm，截面积A0＝6.336×10-4m2。导线材料线密度2.755Kg/m,综合弹性模量1.03e11Pa,泊松比为0.3。
(6)进行网格划分
使用系统的网格划分界面进行网格划分，全局网格尺寸为1m。利用ansys内置命令Lmesh进行梁单元网格的划分。
(7)指定边界条件
首先，指定塔体边界条件。这些边界条件包括塔体地脚约束，塔体自重，覆冰重量和塔体风载。覆冰密度为900Kg/m3,冰层厚度为5mm。塔体风载为高度的函数，通过选择几段塔体的节点，调用数据库计算相应的风力大小，均匀加载到节点上。
其次，指定导线边界条件。不和塔体连接的导线端设置为固定约束。导线受到自重，覆冰和风载作用。导线覆冰选择扇形覆冰，密度900Kg/m3,冰层厚度为5mm。风载选择风速10m/s,风攻角0度情况下的载荷，通过外部程序计算得到风载为：单位升力0.133274N,单位阻力0.521209N,单位扭矩-0.0605607Nm；
(8)进行求解计算和后处理
利用ansys本身的求解器进行静力学分析，并查看后处理结果，如图7所示为杆塔整体变形云图。按照报告模板的格式生成html格式的报告。
至此，整个分析过程完成并自动生成了仿真计算报告。
此处，仿真过程是使用TCl/Tk环境调用ANSYSMechaincalAPDL命令并利用一些接口文件来进行数据传递和命令发送的。参数化程序设计语言(APDL)是一种用来完成分析操作和通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。ANSYS的前后处理设置最终都要转化成APDL命令提交给求解器进行计算。Tcl/Tk是一种脚本语言，已经被集成在ANSYS软件内部。使用Tcl/Tk技术可以在ANSYS中搭建比UIDL更复杂、功能更强大的仿真模板界面，并可以通过接口函数与ANSYS底层进行数据交互。
基于本发明，可以实现对三级塔和导线联动系统的数值仿真，这是其他数值仿真系统所不具有的。显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种输电杆塔结构静态力学分析系统，包括输电杆建模模块和力学性能评估模块，其特征在于：输电杆建模模块包括塔身子模块、导线子模块、塔身塔头装配子模块、输电杆截面型材库子模块、输电杆材料库子模块、塔头模型库子模块，力学性能评估模块包括载荷计算模块、综合分析处理模块以及实际工况数据输入模块，其中载荷计算模块根据各子模块的模型数据和实际工况数据输入模块的数据计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，综合分析处理模块通过有限元分析方法对输电杆塔模型的载荷进行综合分析处理；
所述输电杆塔结构静态力学分析系统的执行仿真方法，其特征在于包括如下步骤：
a.根据杆塔设计图纸得到杆件的坐标值，在有限元分析软件中使用点-线的模式建立杆塔模型，即通过有限元分析软件对输电塔的塔身、塔头、导线的真实模型进行建模，并建立塔头库、材料库、截面型材库；
b.结合塔头库将塔身塔头进行装配；
c.结合截面型材库和材料库进行模型属性分配；
d.根据输电杆塔的实际工况数据计算装配好的输电杆塔模型在自重、风力、覆冰作用下的载荷；
e.根据有限元分析方法对输电杆塔模型的载荷进行综合分析并生成分析报告、应力云图、变形云图。
2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔结构静态力学分析系统，其特征在于：输电杆建模模块基于有限元分析软件ANSYS，对塔身子模块、导线子模块、塔身塔头装配子模块进行建模，对输电杆截面型材库子模块、输电杆材料库子模块、塔头模型库子模块进行数据库封装。
3.根据权利要求1所述的一种输电杆塔结构静态力学分析系统，其特征在于：力学性能评估模块基于TCL/TK语言，结合输电杆建模模块各个子模块和输电杆塔的实际工况数据，调用C语言计算输电杆、导线的自重或覆冰载荷以及塔体、导线的风载荷，并加载载荷通过有限元分析方法对其进行综合分析处理以生成分析报告、应力云图、变形云图。
4.根据权利要求1所述的一种输电杆塔结构静态力学分析系统，其特征在于：步骤a中的有限元分析软件采用ANSYS。
5.根据权利要求1所述的一种输电杆塔结构静态力学分析系统，其特征在于：步骤d中载荷计算是通过调用c语言编写的载荷计算公式完成的。
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