CN108548650B - 一种角钢输电塔气弹模型 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空气动力学模型技术领域，尤其涉及一种角钢输电塔气弹模型。本发明提供了一种角钢输电塔气弹模型，包括：塔身模型和第一金属管；所述塔身模型与原输电塔呈几何相似，所述塔身模型被多个水平截面截断为多个半刚性节段，所述半刚性节段包括塔柱、水平支撑杆和斜支撑杆，所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆焊接连接；所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆为角钢型杆件；相邻所述半刚性节段通过所述第一金属管连接，所述半刚性节段与所述第一金属管焊接连接。本发明角钢输电塔气弹模型解决了现有输电塔气弹模型存在实验误差、不适用于模拟角钢塔杆件、不利于耗能减振动风洞试验的开展的问题。

Description

一种角钢输电塔气弹模型
技术领域
本发明属于空气动力学模型技术领域，尤其涉及一种角钢输电塔气弹模型。
背景技术
传统的输电塔气弹模型对刚度的模拟通常可分为集中刚度法和离散刚度法两种。
“集中刚度法”是从整体上将刚度和外形分离，用沿高度变化的中央芯棒模拟塔架整体刚度，轻质材料模拟几何外形。但是，根据刚度相似设计的中央芯棒通常截面很大，会对整塔挡风面积产生较大影响，并且各杆件仅由刚度可忽略的轻薄材料制成，均容易导致试验结果的误差。
“离散刚度法”针对各杆件，使用不锈钢管或铜管做成芯棒模拟杆件刚度，使用泡沫纸等轻质材料制成外衣模拟杆件几何外形。由于离散刚度法制作的模型刚度由各个杆件提供，芯棒的截面形状与钢管相似，其受力性能较适用于模拟圆管塔杆件。但芯棒外包轻质材料模拟几何外形的办法局限性较大，无法应用于角钢截面杆件，且会产生附加刚度和附加阻尼，引起气动力畸变与失真，因此不适用于模拟截面呈L形的角钢塔杆件。
此外，输电塔气弹模型对刚度的模拟还有一种针对输电塔结构特点采用的半刚性节段模型加U型弹簧片法，该模型将输电塔划分为多层，各层之间通过U型弹簧片胶粘连接，模型内侧使用铜丝或铅丝配重，由于胶粘材料与半刚性节段、U型弹簧片之间的连接均存在胶粘质量的不稳定性，胶粘材料与节段材料的阻尼不同，以及胶粘材料本身的各向异性，该连接方式容易对结构的结构阻尼产生影响，不利于耗能减振动风洞试验的开展。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种角钢输电塔气弹模型，用于解决现有输电塔气弹模型存在实验误差、不适用于模拟角钢塔杆件、不利于耗能减振动风洞试验的开展的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种角钢输电塔气弹模型，包括：塔身模型和第一金属管；
所述塔身模型与原输电塔呈几何相似，所述塔身模型被多个水平截面截断为多个半刚性节段，所述半刚性节段包括塔柱、水平支撑杆和斜支撑杆，所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆焊接连接；
所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆为角钢型杆件；
相邻所述半刚性节段通过所述第一金属管连接，所述半刚性节段与所述第一金属管焊接连接。
优选的，还包括：第二金属管和第三金属管；
所述半刚性节段通过所述第二金属管和所述第三金属管与所述第一金属管焊接连接；
所述第一金属管、所述第二金属管和所述第三金属管设置于所述塔身模型的内部。
优选的，所述第二金属管和所述第三金属管与所述第一金属管垂直焊接连接。
优选的，所述第二金属管和所述第三金属管垂直焊接连接所述半刚性节段中的角钢型杆件。
优选的，相邻所述半刚性节段的空隙间距为3mm～5mm。
优选的，所述第二金属管和所述第三金属管的长度与焊接点至所述焊接点位于的所述半刚性节段平面中心点的距离之比为0～0.1；
所述焊接点为第二金属管和所述第三金属管与所述半刚性节段的连接点。
优选的，所述第一金属管的截面积满足第一公式；
所述第一公式为E0A0＝E*A/(n2m2)；
式中，E0为所述第一金属管的弹性模量，单位为N/m2；A0为所述第一金属管的截面积，单位为m2；E为所述塔柱的弹性模量，单位为N/m2；A为所述塔柱的截面面积，单位为m2，n为所述塔身模型与所述原输电塔的几何相似比；m为试验风速比。
优选的，相邻所述半刚性节段空隙设置有弹簧单元。
优选的，所述第一金属管上设置有细孔。
优选的，所述半刚性节段内侧设置有平衡质量分布的配重件。
综上所述，本发明提供了一种角钢输电塔气弹模型，包括：塔身模型和第一金属管；所述塔身模型与原输电塔呈几何相似，所述塔身模型被多个水平截面截断为多个半刚性节段，所述半刚性节段包括塔柱、水平支撑杆和斜支撑杆，所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆焊接连接；所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆为角钢型杆件；相邻所述半刚性节段通过所述第一金属管连接，所述半刚性节段与所述第一金属管焊接连接。本发明中，相邻半刚性节段通过第一金属管连接，半刚性节段与第一金属管焊接连接，半刚性节段中的塔柱、水平支撑杆和斜支撑杆焊接连接，相比于现有的半刚性节段模型加U型弹簧片法能够更精确地对刚度进行模拟，连接方式更为可靠，最大程度减少对结构阻尼的影响，更好的保证模型质量；相比于集中刚度法与离散刚度法，避免了“外衣”引起的附加刚度、附加阻尼、气动力畸变和失真等问题；本发明角钢输电塔气弹模型解决了现有输电塔气弹模型存在实验误差、不适用于模拟角钢塔杆件、不利于耗能减振动风洞试验的开展的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型中的角钢型杆件与第一金属管连接的结构示意图；
图3为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型中的角钢型杆件与第一金属管连接的俯视图；
图4为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型中的第一金属管的结构示意图；
图5为本发明应用例中的一种角钢输电塔气弹模型调整刚度后的一阶X向归一化振型模态；
图6为本发明应用例中的一种角钢输电塔气弹模型调整刚度后的一阶Y向归一化振型模态；
图示说明：1.塔身模型；2.半刚性节段；3.塔柱；4.水平支撑杆；5.斜支撑杆；6.第一金属管；7.第二金属管；8.第三金属管。
具体实施方式
本发明提供了一种角钢输电塔气弹模型，用于解决现有输电塔气弹模型存在实验误差、不适用于模拟角钢塔杆件、不利于耗能减振动风洞试验的开展的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型的结构示意图。
本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的一个实施例，包括：塔身模型1和第一金属管6；
塔身模型1与原输电塔呈几何相似，塔身模型1被多个水平截面截断为多个半刚性节段2，半刚性节段2包括塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5，塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5焊接连接；
塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5为角钢型杆件；
相邻半刚性节段2通过第一金属管6连接，半刚性节段2与第一金属管6焊接连接。
本发明实施例中，相邻半刚性节段2通过第一金属管6连接，半刚性节段2与第一金属管6焊接连接，半刚性节段2中的塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5焊接连接，相比于现有的半刚性节段模型加U型弹簧片法能够更精确地对刚度进行模拟，连接方式更为可靠，最大程度减少对结构阻尼的影响，更好的保证模型质量；相比于集中刚度法与离散刚度法，避免了“外衣”引起的附加刚度、附加阻尼、气动力畸变和失真等问题；本发明角钢输电塔气弹模型解决了现有输电塔气弹模型存在实验误差、不适用于模拟角钢塔杆件、不利于耗能减振动风洞试验的开展的问题。
以上是对本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的另一个实施例进行详细的描述。
请参阅图1，为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型的结构示意图。
请参阅图2和图3，分别为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型中的角钢型杆件与第一金属管连接的结构示意图和俯视图。
本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的一个实施例，包括：塔身模型1和第一金属管6；
塔身模型1与原输电塔呈几何相似，塔身模型1被多个水平截面截断为多个半刚性节段2，半刚性节段2包括塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5，塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5焊接连接；
塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5为角钢型杆件；
相邻半刚性节段2通过第一金属管6连接，半刚性节段2与第一金属管6焊接连接。
本发明实施例中，塔身模型1与原输电塔呈几何相似，塔柱3、水平支撑杆4和斜支撑杆5为原输电塔按几何相似等比例缩小的角钢型杆件，保证了角钢输电塔气弹模型的迎风面积与原输电塔满足相似关系。
进一步的，还包括：第二金属管7和第三金属管8；
半刚性节段2通过第二金属管7和第三金属管8与第一金属管6焊接连接；
第一金属管6、第二金属管7和第三金属管8设置于塔身模型1的内部。
本发明实施例中，第一金属管6为铜管，第二金属管7和第三金属管8为不锈钢管，角钢型杆件的材料为不锈钢。
需要说明的是，第一金属管6只需达到焊接要求及刚度相似要求，铜管是可采用的最普遍材料，但第一金属管6不限于铜管；第二金属管7和第三金属管8作为连接件，刚度越大越好，第二金属管7和第三金属管8不限于不锈钢管。
第二金属管7和第三金属管8将第一金属管6引至塔身模型1的内部，即将不锈钢管把铜管引至塔身模型1的内部，在于直接采用铜管连接相邻半刚性节段2刚度过大。
本发明实施例中，第二金属管7和第三金属管8与第一金属管6垂直焊接连接。
第二金属管7和第三金属管8垂直焊接连接半刚性节段中的角钢型杆件。
本发明实施例中，相邻半刚性节段2的空隙间距为3mm～5mm，相邻半刚性节段2的空隙间距更优选为5mm，便于铜管连接，防止后期角钢输电塔气弹模型振动时相邻半刚性节段2发生碰撞摩擦。
本发明实施例中，第二金属管7和第三金属管8的长度与焊接点至焊接点位于的半刚性节段2平面中心点的距离之比为0～0.1；
焊接点为第二金属管7和第三金属管8与半刚性节段2的连接点。
第二金属管7和第三金属管8的长度通过有限元模型分析确定，第二金属管7和第三金属管8的外径和壁厚在保证本发明角钢输电塔气弹模型刚度足够的前提下，在允许范围内设定取值即可。
本发明实施例中，第一金属管6的截面积满足第一公式；
第一公式为E0A0＝E*A/(n2m2)；
式中，E0为第一金属管6的弹性模量，单位为N/m2；A0为第一金属管6的截面积，单位为m2；E为塔柱3的弹性模量，单位为N/m2；A为塔柱3的截面面积，单位为m2，n为塔身模型1与原输电塔的几何相似比；m为试验风速比。
第一金属管6的截面积通过EA等效计算得到。
本发明实施例中，相邻半刚性节段2空隙设置有弹簧单元。
本发明实施例建立角钢输电塔气弹模型的有限元模型，相邻半刚性节段2空隙设置有弹簧单元，调整弹簧单元的刚度使角钢输电塔气弹模型的动力特性与原输电塔尽量接近；根据弹簧单元的设定值及铜管的截面积，通过调节铜管外径和壁厚，使其刚度达到期望值并确定铜管的外径及壁厚。
请参阅图4，为本发明实施例中的一种角钢输电塔气弹模型中的第一金属管的结构示意图。
本发明实施例中，第一金属管6上设置有细孔，用于调整模型的刚度；同时，相邻半刚性节段2的空隙间距便于第一金属管6设置细孔。
本发明实施例中，细孔的直径为0.2mm，第一金属管6上设置细孔后，第一金属管6的净截面积为A1≈A0-n(D-d)*d0，其中d0为细孔的直径，n为每根第一金属管6上的细孔个数，D为第一金属管6外径，d为第一金属管6内径。第一金属管6设置细孔后，其设置细孔后的各个半刚性节段2截面积之比与设置细孔前的各个半刚性节段2截面积之比应基本一致。
本发明实施例中，半刚性节段2内侧设置有平衡质量分布的配重件，配重件为铜丝或铅丝，使半刚性节段2满足质量相似比的要求。
本发明实施例通过有限元分析确定不锈钢管长度、铜管外径参数和壁厚参数，角钢输电塔气弹模型可以通过在铜管上设置细孔来调整模型的刚度。
本发明实施例通过在铜管壁面上设置细孔调整角钢输电塔气弹模型刚度，无需制作多个气弹模型，便于风洞试验研究结构刚度对风振响应的影响。本发明实施例能简单便捷地调整角钢输电塔气弹模型刚度，保持迎风面积和几何外形不变，并可满足振型相似要求，避免最终模型与目标要求误差过大。
本发明实施例角钢输电塔气弹模型不仅可以排除粘连剂对结构阻尼的影响，防止模型运输过程可能产生的结构松动问题，也便于后期基于现有模型调整结构刚度，提高该角钢输电塔气弹模型的利用率。本发明实施例角钢输电塔气弹模型根据原输电塔高度对其划分层数，塔身模型1被多个水平截面截断为多个半刚性节段2，采用不锈钢制作角钢杆件并焊接成整体，相邻半刚性节段2的连接采用不锈钢管及铜管焊接，并可通过在铜管壁上设置细孔实现对刚度的调整。并且，本发明实施例角钢输电塔气弹模型的制作工艺简单，本发明实施例角钢输电塔气弹模型能够满足输电塔模型刚度与振型相似的要求，能够准确地模拟出输电塔结构在风载激励下的气动特性，并方便后续调整结构刚度，研究结构刚度对耗能减振设施作用效果的影响。
以上是对本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种角钢输电塔气弹模型的一个应用例进行详细的描述。
本发明应用例中，原输电塔为角钢塔，实际高度43.6m，角钢输电塔气弹模型与原输电塔的比例为1：30，角钢输电塔气弹模型高度为1.45m，角钢输电塔气弹模型的半刚性节段为八个，如图2所示，相邻半刚性节段2之间的连接方式为第一金属管6、第二金属管7及第三金属管8焊接，第一金属管6为铜管，第二金属管7和第三金属管8为不锈钢管。铜管除焊缝长度外的连接部分长度为5mm，其尺寸参数如表1所示。其中，半刚性节段的编号由塔身模型1自下往上进行。不锈钢长度为0.08倍焊接点至焊接点位于的半刚性节段2平面中心点的距离，直径均为6mm，壁厚1mm。
角钢输电塔气弹模型在满足质量分布、刚度、几何等参数相似的同时，放松了对试验结果影响较小的重力参数相似性等的模拟。雷诺数对于绕物体的流态的影响不容忽视，其相似性的实现须采用高密度气体并提高流速，但是角钢输电塔属于锐缘结构，气流分离点比较明显，雷诺数的相似性对于试验结果产生的误差较小，加之其相似性很难实现，故可放松对粘性参数相似性的模拟。
表1相邻半刚性节段间铜管参数
半刚性节段间 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8
铜管外径 2mm 1.5mm 1.5mm 1.5mm 1mm 1mm 1mm
铜管壁厚 0.1mm 0.1mm 0.1mm 0.1mm 0.15mm 0.15mm 0.15mm
表2为铜管设置细孔前后角钢输电塔气弹模型的频率变化，由有限元软件进行模态分析获得。表2表明铜管设置细孔后，角钢输电塔气弹模型频率降低了8％，且一阶X向及Y向频率与原先比例均为13.9。调整刚度后角钢输电塔气弹模型的振型模态均基于有限元软件进行模态分析获得，选取自行选定的各半刚性节段代表点模态位移进行归一化处理，结构模态变化见图5和图6。图5和图6分别为本发明应用例中的一种角钢输电塔气弹模型调整刚度后的一阶X向归一化振型模态和一阶Y向归一化振型模态。图5和图6表明本发明角钢输电塔气弹模型中铜管设置细孔后与原型输电塔振型模态基本一致。
表2铜管设置细孔前后角钢输电塔气弹模型的频率变化/Hz
Figure BDA0001634372080000081
其中，铜管设置细孔具体为由塔身模型1自下往上，依次打3个、2个、2个、2个、1个、1个、1个细孔，细孔直径为0.2mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种角钢输电塔气弹模型，其特征在于，包括：塔身模型、第一金属管、第二金属管和第三金属管；
所述塔身模型与原输电塔呈几何相似，所述塔身模型被多个水平截面截断为多个半刚性节段，所述半刚性节段包括塔柱、水平支撑杆和斜支撑杆，所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆焊接连接；
所述塔柱、所述水平支撑杆和所述斜支撑杆为角钢型杆件；
相邻所述半刚性节段通过所述第一金属管连接，所述半刚性节段与所述第一金属管焊接连接；
所述半刚性节段通过所述第二金属管和所述第三金属管与所述第一金属管焊接连接；
所述第一金属管、所述第二金属管和所述第三金属管设置于所述塔身模型的内部，所述第二金属管和所述第三金属管与所述第一金属管垂直焊接连接。
2.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，所述第二金属管和所述第三金属管垂直焊接连接所述半刚性节段中的角钢型杆件。
3.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，相邻所述半刚性节段的空隙间距为3mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，所述第二金属管和所述第三金属管的长度与焊接点至所述焊接点位于的所述半刚性节段平面中心点的距离之比为0～0.1；
所述焊接点为第二金属管和所述第三金属管与所述半刚性节段的连接点。
5.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，所述第一金属管的截面积满足第一公式；
所述第一公式为E0A0＝E*A/(n2m2)；
式中，E0为所述第一金属管的弹性模量，单位为N/m2；A0为所述第一金属管的截面积，单位为m2；E为所述塔柱的弹性模量，单位为N/m2；A为所述塔柱的截面面积，单位为m2，n为所述塔身模型与所述原输电塔的几何相似比；m为试验风速比。
6.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，相邻所述半刚性节段空隙设置有弹簧单元。
7.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，所述第一金属管上设置有细孔。
8.根据权利要求1所述的角钢输电塔气弹模型，其特征在于，所述半刚性节段内侧设置有平衡质量分布的配重件。
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