CN108763827A - 一种输电塔有限元模型建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明通过对输电塔进行分段并逐个分段确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和构件横截面编号，并根据连接点和角钢构件截面方向指定原则确定参考点局部编号，从而生成构件与连接点关联数组，生成输电塔有限元模型的建模文件并建立输电塔有限元模型，由于本发明的建模文件包含连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标，因此能根据参考点快速正确的确定角钢构件的横截面方向，保证模型更接近原型，能够解决传统的建模技术无法快速正确的确定角钢构件的横截面方向的技术问题。

Description

一种输电塔有限元模型建立方法及装置

技术领域

本发明涉及输电塔模型建立技术领域，尤其涉及一种输电塔有限元模型建立方法及装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，对电力能源的需求不断增加，我国地域辽阔，电网建设迅速发展，受地形地貌、气候特征、人文环境等多方面的影响，设计得到的输电塔的种类繁多、形态各异。

为了更好评估在环境载荷作用下输电塔及塔线体系的安全性，需要建立输电塔的分析模型，最常用的就是有限元模型。由于输电塔种类繁多，尤其是输电塔的角钢构件横截面方向在空间分布复杂，如果不能在有限元模型中正确的放置角钢构件，那么所得的模型不能很好地反映原结构的动力学特性，甚至得到错误的模型。因此，快速准确地建立输电塔的有限元模型，是精确计算输电塔及塔线体系动力学响应的重要前提，是制定输电塔及塔线体系振动控制方案的根本保障。

发明内容

本发明提供了一种输电塔有限元模型建立方法及装置，该方法能快速正确的确定角钢构件的横截面方向，保证模型更接近原型，能够解决传统的建模技术无法快速正确的确定角钢构件的横截面方向的技术问题。

本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法，包括：

S1、建立整体坐标系，根据给定的设计图纸，对输电塔进行分段；

S2、根据分段后输电塔的特征结构计算每个分段内的连接点坐标，确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和对应的连接点总体编号，并确定每根构件的构件横截面编号；

S3、根据与每根构件相关联的连接点局部编号及角钢构件截面方向指定原则确定每根构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和对应的参考点总体编号；

S4、根据每根构件的连接点局部编号、参考点局部编号和构件横截面编号，生成构件与连接点关联数组；

S5、确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号；

S6、根据构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标、给定的材料参数数组和构件横截面数组生成输电塔有限元模型的建模文件；

S7、将建模文件导入有限元软件建立输电塔有限元模型。

优选地，所述步骤S1中对输电塔进行分段具体包括：

将输电塔分为主体结构和附属横担，每对附属横担作为一个分段，对主体结构，沿输电塔的高度方向，每个特征结构作为一个分段。

优选地，所述特征结构由一个以上形成环形阵列的子结构组成；

所述子结构包括子结构1、子结构2和所述子结构3，所述子结构1的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5，所述子结构2的连接点位于同一高度处，连接点类型包含P1和P2，所述子结构3的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5；

所述连接点类型具体为：输电塔塔高方向中心线上的构件连接点定义为P1连接点；输电塔轮廓四根脊线上的连接点定义为P2连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标轴上的连接点定义为P3连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标系象限内的连接点定义为P4连接点；输电塔中不在脊线、轮廓面和塔高方向中心线上的连接点定义为P5连接点。

优选地，所述步骤S2具体包括：

从设计图纸获取特征结构的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，通过环形阵列操作得到其余形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

优选地，所述步骤S3具体包括：

根据设计图纸和角钢构件横截面方向的指定方法，确定构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和参考点总体编号。

优选地，所述附属横担由两个子结构组成；

所述步骤S2还包括：

从设计图纸获取附属横担的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，判断附属横担的另一个子结构是否与该子结构对称，若是，则通过环形阵列操作得到该形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号，若否，则单独生成该另一个子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据附属横担的子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

优选地，所述步骤S4具体包括：

将每根构件的两个连接点局部编号、一个参考点局部编号和一个构件横截面编号作为构件与连接点关联数组的前四维度，根据不同高度的特征结构对应的构件横截面编号计算出横截面编号轮换数组作为构件与连接点关联数组的第五维度。

优选地，所述步骤S5具体包括：

根据构件与连接点关联数组的连接点局部编号和参考点局部编号确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号和参考点总体编号。

优选地，所述步骤S6具体包括：

创建建模文件，在建模文件中生成以下命令：

前处理文件头；

设定梁单元类型；

根据构件横截面数组生成设置材料属性和横截面参数；

根据构件与连接点关联数组中的前两个维度对应的连接点总体编号将两个连接点按顺序连成线；

选择该线；

根据构件与连接点关联数组中的后两个维度赋予该线的材料类型、单元类型、参考点总体编号和构件横截面编号；

生成和划分网格；

前处理结束。

本发明还提供一种输电塔有限元模型建立装置，所述装置包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行前述的一种输电塔有限元模型建立方法。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法及装置，其中方法包括：建立整体坐标系，根据给定的设计图纸，对输电塔进行分段；根据分段后输电塔的特征结构计算每个分段内的连接点坐标，确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和对应的连接点总体编号，并确定每根构件的构件横截面编号；根据与每根构件相关联的连接点局部编号及角钢构件截面方向指定原则确定每根构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和对应的参考点总体编号；根据每根构件的连接点局部编号、参考点局部编号和构件横截面编号，生成构件与连接点关联数组；确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号；根据构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标、给定的材料参数数组和构件横截面数组生成输电塔有限元模型的建模文件；将建模文件导入有限元软件建立输电塔有限元模型。本发明通过对输电塔进行分段并逐个分段确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和构件横截面编号，并根据连接点和角钢构件截面方向指定原则确定参考点局部编号，从而生成构件与连接点关联数组，生成输电塔有限元模型的建模文件并建立输电塔有限元模型，由于本发明的建模文件包含连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标，因此能根据参考点快速正确的确定角钢构件的横截面方向，保证模型更接近原型，能够解决传统的建模技术无法快速正确的确定角钢构件的横截面方向的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法的一个实施例的示意图；

图2为本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法中输电塔的三种子结构示意图；

图3为本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法中环形阵列操作时连接点和构件编号的示意图；

图4为角钢梁横截面局部坐标系及其两端点和参考点示意图；

图5为本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法中输电塔自上而下分解示意图；

图6为本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法中塔腿结构连接点局部编号和构件示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种输电塔有限元模型建立方法及装置，该方法能快速正确的确定角钢构件的横截面方向，保证模型更接近原型，能够解决传统的建模技术无法快速正确的确定角钢构件的横截面方向的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法的一个实施例，包括：

101、建立整体坐标系，根据给定的设计图纸，对输电塔进行分段；

对输电塔进行分段，分段是按照结构特征来的，因此将分段称为特征结构；特征结构通常具有对称性，如主体部分通过坐标轴自然地将特征结构划分为四个部分，称为子结构，子结构通过环形阵列操作，得到特征结构。使用环形阵列操作，该操作除了连接点坐标旋转外，还包含计算对应的横截面信息。

102、根据分段后输电塔的特征结构计算每个分段内的连接点坐标，确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和对应的连接点总体编号，并确定每根构件的构件横截面编号；

连接点局部编号用于计算参考点以及生成构件与连接点关联数组，连接点坐标用于计算参考点坐标，连接点总体编号用于生成建模文件，一个建模文件中，所有连接点的总体编号都是不同的、唯一的。而连接点的局部编号可以在不同分段内重复出现。

103、根据与每根构件相关联的连接点局部编号及角钢构件截面方向指定原则确定每根构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和对应的参考点总体编号；

如图4所示，根据有限元软件ANSYS关于梁形单元的规定，描述角钢梁需要两个端点(即两个连接点)(i，j)和参考点(k)，参考点k在局部坐标系的xy平面上。根据右手规则，拇指由点i指向点j，食指指向点k并沿角钢A边方向，中指指向与角钢B边方向相反的方向。角钢A边选择原则为使得点k为连接点，但点k与点i和j不共线，如果没有连接点可以作为构件的参考点，则要根据右手规则生成相应参考点坐标，并赋予总体编号。该步骤可以通过坐标运算进行。计算出参考点坐标后(若找到连接点作为参考点，不需要进行坐标计算，直接将连接点作为参考点，若没有连接点作为参考点，则计算出该参考点的坐标)，可以对参考点进行编号，得到参考点局部编号和对应的参考点总体编号。根据这段描述和输电塔结构的实际情况可知，通常可以找到连接点作为参考点，不需要进行坐标计算，除非没有连接点可以作为参考点，才需要计算得到一个新的点作为参考点，并赋予新的总体编号。也就是说参考点若为连接点，它们共用局部和总体编号。

104、根据每根构件的连接点局部编号、参考点局部编号和构件横截面编号，生成构件与连接点关联数组；

105、确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号；

106、根据构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标、给定的材料参数数组和构件横截面数组生成输电塔有限元模型的建模文件；

107、将建模文件导入有限元软件建立输电塔有限元模型。

进一步地，步骤101中对输电塔进行分段具体包括：

将输电塔分为主体结构和附属横担，每对附属横担作为一个分段，对主体结构，沿输电塔的高度方向，每个特征结构作为一个分段。

请参阅图2，进一步地，特征结构由一个以上形成环形阵列的子结构组成；

子结构包括子结构1、子结构2和子结构3(图2中的(a)、(b)、(c))，子结构1的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5，子结构2的连接点位于同一高度处，连接点类型包含P1和P2，子结构3的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5；

连接点类型具体为：输电塔塔高方向中心线上的构件连接点定义为P1连接点；输电塔轮廓四根脊线上的连接点定义为P2连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标轴上的连接点定义为P3连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标系象限内的连接点定义为P4连接点；输电塔中不在脊线、轮廓面和塔高方向中心线上的连接点定义为P5连接点。

进一步地，步骤102具体包括：

从设计图纸获取特征结构的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，通过环形阵列操作得到其余形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

需要说明的是，环形阵列操作如图3所示，左边a图为连接点的局部编号，右边b图为计算命名的构件编号，根据设计图纸，构件1和构件5的组合是其中一个子结构，其余子结构与该子结构拓扑结构相同，即构件1、2、3、4对应，构件5、6、7、8对应，且局部编号为1的连接点对应于局部编号为2、3、4的连接点，局部编号为5的连接点对应于局部编号为6、7、8的连接点。因此，结合图3可知，该步骤具体是，从设计图纸获取特征结构的一个子结构对应的连接点(通常是第一象限和X轴上点的编号及坐标、线的编号及与之连接点的局部编号)，即获取构件1和构件5的组合的子结构的连接点1、5、6，然后，给这三个连接点编号为1、5、6并计算连接点1、5、6的坐标，然后由于其余子结构拓扑结构相同，因此可以根据连接点1、5、6的坐标进行旋转变换得到连接点2、6、7的坐标，而这三个连接点是该子结构旋转一次的得到的子结构连接点，因此命名局部编号加一，按照此环形阵列操作的原理可以得到其余形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号。至此，得到该特征结构的所有子结构的连接点坐标和连接点局部编号，因此可以得到所有构件的情况，然后根据设计图纸可以获取到与每根构件相关联的构件型号规格信息，并根据该构件型号规格信息是否相同依次给构件进行编号，若构件型号规格信息相同，则为相同的构件横截面编号，若构件型号规格信息不同，则另起一个构件横截面编号。同时，建立特征结构和构件横截面编号与构件型号规格信息的索引。

需要说明的是，由于输电塔具有对称性，所以特征结构的子结构一般具备对称性，多个子结构可绕中心形成环形阵列。

需要说明的是，1.环形阵列操作：例如，对于有四个特征子结构的结构来说，先确定第一象限和x轴上点的编号及坐标、线的编号及与之连接点的局部编号，然后进行旋转变换得到，同时，还需要建立对应的构件横截面编号。

2.规范的设计图纸上会标明这些点的坐标，或者根据图纸可以方便地计算出这些坐标；局部编号是自己定义的，根据需要旋转的次数间隔增加编号值；在特征子结构内编号方式并没有明确的限制，除非使用了总体编号，原则是方便建立连线与编号之间的连接关系。

3.规范的设计图纸包含了构件连接关系和构件的型号规格信息(即使用的钢材材质，横截面尺寸)；这类结构设计通常考虑一定的对称性，例如A旋转得到B、C和D，设计上它们会使用相同材质和横截面尺寸(注：不排除不一致的情况，但可以肯定绝大多数结构设计是对称设计的)。因为在特征子结构中已经考虑每个特征结构中子结构的数量，例如子结构数量为4时，在子结构中间隔3进行编号，这样当旋转变换时，只需要将将当前编号加1就可以，例如编号为5，旋转后依次得到编号6，7，8。

4.这里拓扑相同的特征结构，它们满足相似性，即通过适当的缩放变换，可以变得x和y坐标相同，因此只要知道其中一条对应连线的比例关系和z方向平移的距离，就可以通过A结构坐标得到B结构坐标。A和B之间除了点坐标的差别，还有构件型号规格信息可能不一样，这个通过横截面编号轮换数组来确定，它在设计图纸中可以查阅得到。

5.输电塔结构有限元建模本质上来说就是确定点的坐标和点之间的连线关系及它们的编号，并对连线赋予材料属性和横截面特性。本申请的一个有益效果是利用结构对称性和相似性等简化这些操作。从这个角度来说，环形阵列也就是对称性的一种表述，拓扑相同指的是结构具有相似性。

进一步地，步骤103具体包括：

根据设计图纸和角钢构件横截面方向的指定方法，确定构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和参考点总体编号。

根据有限元软件ANSYS关于梁形单元的规定，描述角钢梁需要两个端点(i，j)和参考点(k)，参考点k在局部坐标系的xy平面上。根据右手规则，拇指由点i指向点j，食指指向点k并沿角钢A边方向，中指指向与角钢B边方向相反的方向，即可得到角钢构件横截面方向。然后，根据设计图纸和角钢构件横截面方向的指定方法，确定构件截面方向参考点坐标和总体编号。对于绝大多数的构件，可以用已有连接点作为参考点；如果没有连接点可以作为构件的参考点，则要生成相应参考点坐标并编号。

进一步地，附属横担由两个子结构组成；具体可以是两个子结构3。

步骤102还包括：

从设计图纸获取附属横担的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，判断附属横担的另一个子结构是否与该子结构对称，若是，则通过环形阵列操作得到该形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号，若否，则单独生成该另一个子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据附属横担的子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

附属横担一般由两个子结构组成，两个子结构可能是具有相同的拓扑结构，也可能没有相同的拓扑结构，需要先进行判断。附属横担构件的构件横截面编号确定与特征结构的构件横截面编号确定方法一样，此处不再赘述。

进一步地，步骤104具体包括：

将每根构件的两个连接点局部编号、一个参考点局部编号和一个构件横截面编号作为构件与连接点关联数组的前四维度，根据不同高度的特征结构对应的构件横截面编号计算出横截面编号轮换数组作为构件与连接点关联数组的第五维度；

其中，拓扑相同的特征结构的子结构中连接点局部编号和参考点局部编号相同，拓扑相同的特征结构的子结构中相同编号的构件的横截面编号可能不同。

需要说明的是，对于拓扑相同的特征结构，只需要得到一个特征结构的子结构的连接点坐标和局部编号、参考点坐标和编号，以及构件横截面编号，并根据环形阵列操作得到整个特征结构的构件与连接点关联数组前四个维度，而其它特征结构仅需记录构件横截面编号到横截面编号轮换数组，然后将包含所有构件横截面编号的横截面编号轮换数组放在构件与连接点关联数组的第五个维度，则可将所有与该特征结构拓扑相同的分段的构件都描述出来，如表1所示，通过分段编号索引给出构件横截面编号，可以简化程序代码。

需要说明的是，根据设计图纸通过上述步骤得到如几个如表1所示的构件与连接点关联数组后，可以实现将输电塔的结构表达出来。例如，表1中各个构件表示了一个特征结构的其中一个子结构的所有构件，将子结构的信息通过环形操作后可以得到整个特征结构的连接点坐标和局部编号、参考点坐标和编号，以及构件横截面编号，而与该特征结构拓扑相同的其他特征结构，由于它们之间拓扑相同，而各个对应构件之间构件横截面钢号和规格不同，即构件型号规格信息不同，因此可以通过构件横截面编号不同的方式表示出来，因此可以通过包含所有构件横截面编号的横截面编号轮换数组将所有与该特征结构拓扑相同的分段的构件都描述出来，因此如表1所示的构件与连接点关联数组可以描述出拓扑相同的特征结构的所有建模信息。通过几个构件与连接点关联数组可以形成整个输电塔的建模信息。因而可以简化程序，提高建模速度和建模效率。

进一步地，步骤105具体包括：

根据构件与连接点关联数组的连接点局部编号和参考点局部编号确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号和参考点总体编号。

由于局部编号在分段中重复，且局部编号主要作用是简化程序代码，使得一个构件与连接点关联数组能将分段内的所有子结构的构件都描述出来，因此，在建立建模文件的时候，为了清楚确定每个连接点和参考点，需要根据分段编号索引将局部编号对应的总体编号确定。

进一步地，步骤106具体包括：

创建建模文件，在建模文件中生成以下命令：

前处理文件头；

设定梁单元类型；

根据构件横截面数组生成设置材料属性和横截面参数；

根据构件与连接点关联数组中的前两个维度对应的连接点总体编号将两个连接点按顺序连成线；具体地，可以是根据连接点总体编号找到对应的连接点坐标，然后根据坐标将该线生成的命令。

选择该线；

根据构件与连接点关联数组中的后两个维度赋予该线的材料类型、单元类型、参考点总体编号和构件横截面编号；

生成和划分网格；

前处理结束。

以上是对本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法的另一个实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种输电塔有限元模型建立方法的另一个实施例，包括：

1)根据给定的设计图纸，对输电塔进行分段，生成材料参数数组和构件横截面数组；

2)根据步骤1)得到的分段，计算每个分段内连接点坐标，确定连接点局部编号及总体编号；

3)根据步骤2)得到的分段内局部连接点编号和给定的设计图纸，获取该分段内与每根构件相关联的连接点编号和构件横截面编号；

4)根据步骤3)得到的与构件关联的连接点编号及角钢构件截面方向指定原则，确定每根构件截面方向参考点坐标和总体编号；

5)根据步骤1)和4)得到的连接点坐标和参考点坐标，合并生成关键点坐标数组；

6)根据步骤3)和4)得到的连接点局部编号、参考点局部编号、横截面编号，生成构件与连接点关联数组，并确定对应的连接点总体编号、参考点总体编号、横截面编号；

7)根据步骤3)、5)和6)得到的构件横截面编号、连接点数组和构件与连接点关联数组，采用程序自动生成输电塔有限元模型的建模文件；

8)根据步骤7)得到的建模文件，导入有限元软件建立输电塔有限元模型。

输电塔节点分类原则为：输电塔塔高方向中心线上的构件连接点定义为P1连接点；输电塔轮廓四根脊线上的连接点定义为P2连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标轴上的连接点定义为P3连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标系象限内的连接点定义为P4连接点；输电塔中不在脊线、轮廓面和塔高方向中心线上的连接点定义为P5连接点。

输电塔分段基本原则为：首先，将输电塔分为主体结构和附属横担，每对横担作为一个分段；然后，对主体结构，沿输电塔的高度方向，每个特征结构作为一个分段。

特征结构由4个构成环形阵列的子结构组成，其中子结构类型有子结构1和子结构2。子结构1特征为：连接点位于至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5。子结构2特征为：连接点位于同一高度处，连接点类型包含P1和P2。

附属横担为：每个附属横担由2个子结构组成，其中子结构类型为子结构3。子结构3的特征为：连接点位于至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5，其中P2是附属横担与主体结构脊线的连接点。

主体结构包含一种及以上的特征结构，每种特征结构存在一个及以上的拓扑相同的特征结构；每个附属横担由2个对称的或不同的子结构3组成。

生成构件横截面数组的过程包括：根据设计图纸，按钢号形成材料参数数组，包括弹性模量、泊松比、密度、屈服强度和极限强度；按先钢号后规格尺寸的顺序递增编号，形成存储横截面规格型号信息的数组。

计算分段内连接点坐标和确定连接点编号的过程包括：根据设计图纸计算分段内子结构的连接点坐标和局部编号，通过环形阵列操作得到其余3个子结构的连接点坐标和局部编号；根据设计图纸计算附属横担分段内子结构的连接点坐标系和局部编号，如果横担的2个子结构相同，则通过环形阵列操作得到另一个子结构的连接点坐标和局部编号；否则按照单独生成另一个子结构的连接点坐标和局部编号。

获取分段内与构件相关联的连接点编号和横截面编号的过程包括：根据设计图纸直接查阅获得子结构内与每根构件相关联的连接点编号和构件型号规格信息，通过环形阵列操作得到其余子结构内与每根构件相关联的连接点编号和构件型号规格信息。型号规格信息可以直接映射为横截面编号。

确定角钢构件横截面方向的方法包括：根据有限元软件ANSYS关于梁形单元的规定，描述角钢梁需要两个端点(i，j)和参考点(k)，参考点k在局部坐标系的xy平面上。根据右手规则，拇指由点i指向点j，食指指向点k并沿角钢A边方向，中指指向与角钢B边方向相反的方向。

确定每根构件截面方向参考点坐标和总体编号的过程包括：根据设计图纸和角钢构件横截面方向的指定方法，确定构件截面方向参考点坐标和总体编号。对于绝大多数的构件，可以用已有连接点作为参考点；如果没有连接点可以作为构件的参考点，则要生成相应参考点坐标并编号。

生成构件与连接点关联数组的包括：数组的前两个维度分别是构件的起始端和终止端的连接点、第三个维度是构件的参考点、第四个维度是构件的横截面编号。

采用程序自动生成输电塔有限元模型的建模文件的过程包括：根据ANSYS软件APDL文件格式要求通过程序生成，写出前处理文件头；写出设定梁单元类型的命令；根据构件横截面数组，写出设置材料属性和横截面参数的命令；将连接点和参考点写出为关键点；写出将关联数组中的前两个维度表示的关键点按顺序连成线的命令；写出选择该线的命令；写出根据关联数组中的后两个维度赋予该线材料类型、单元类型、参考点和横截面编号的命令；写出网格划分和生成的命令；写出前处理结束命令。

与相近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

1.本发明技术方案数据来源于设计图纸，建模方法简单易行、可操作性强，所得的模型准确可靠；

2.本发明技术方案自上而下分解输电塔，提取特征子结构建模，可广泛应用于各种类型的输电塔的有限元建模，拓扑相同特征结构的子结构分析方法和程序可以直接移植；

3.本发明技术方案通过编程自动生成ANSYS软件APDL建模的输入文件，从ANSYS经典界面导入该文件就可生成输电塔有限元模型，无需其他操作。

请参阅图5和图6，以下将对本发明提供的一个应用例进行描述：

以某鼓型双回路输电塔为例，采用MATLAB编写程序，通过图5所示自上而下分解方法，逐步建立输电塔的有限元模型，并写出模型的APDL文件，具体步骤如下：

步骤1)根据设计图纸计算的连接点和参考点坐标、形成材料参数数组和构件横截面数组。

步骤2)确定特征结构的子结构连接点的局部编号，形成构件关联数组。

步骤3)生成ANSYS软件建模所需的APDL文件。

步骤4)从ANSYS软件导入步骤3)得到的APDL文件，直接生成输电塔有限元模型。

步骤1)计算的连接点坐标信息、形成构件横截面数组，具体包括：

a)整体坐标系

整体坐标系z轴沿塔高方向，x垂直于导线方向，y轴沿导线方向。

b)计算连接点和参考点坐标

根据设计图纸，考虑特征结构的相似性，编制程序快速生成连接点和参考点组坐标，存放于3xNN的数组NC，NN是连接点和参考点总数，每列存放连接点或参考点在整体坐标系中的坐标(x，y，z)。每个分段统计子结构脊线连接点和象限内连接点，已统计的连接点不再计数，结果存放于1xND的数组IN，ND是分段的数量。连接点按分段顺序递增编号，然后给z轴上的连接点编号，最后给参考点编号，通常后两种情况涉及的点个数很少。

c)形成材料参数数组

根据设计图纸，统计钢号种类NG并顺序编号，存放于5xNG的数组MG，每列存放弹性模量、泊松比、密度、屈服强度和极限强度。

d)形成构件横截面数组

根据设计图纸，先按钢号，再按规格，统计整个输电塔所用到的横截面数量NS并顺序编号，存放于6xNS的元胞数组SPEC，每列存放横截面规格、钢号及具体尺寸，例如：

L80X8,1,0.080,0.080,0.008,0.008

步骤2)确定特征结构的子结构连接点的局部编号，形成构件关联数组，具体包括：

a)根据图3确定特征结构的子结构连接点的局部编号，以塔腿为例，连接点局部编号如图6所示。

b)根据设计图纸、构件横截面方向指定方法和图6，确定构件与连接点关联数组，存放于4xNE的数组EN中，NE是构件总数，每列存放构件起点、终点、参考点和横截面编号。由于图6中子结构的构件数量较多，仅列出典型构件，如表1所示：

表1子结构构件与连接点关联数组及横截面编号轮换数组

构件关联数组	起点	终点	参考点	横截面编号	横截面编号轮换数组
						构件(1,5)	1	5	8	14	[14,13,12,11]
构件(1,17)	1	17	8	25	[25,25,25,25]
						构件(17,5)	17	5	1	16	[16,16,16-16]
构件(21,9)	21	9	1	17	[17,17,17,17]
						构件(21,13)	21	13	1	18	[18,18,18,18]
构件(34,13)	34	13	1	29	[29,27,27,25]
						构件(17,25)	17	25	5	16	[16,16,16,16]
构件(21,29)	21	29	9	18	[24,22,20,18]
						构件(33,34)	33	34	15	29	[29,28,28,24]
构件(33,533)	33	533	36	22	[22,21,20,19]

c)与图6拓扑相同的特征结构有四个，它们具有对应的局部连接点编号，可通过环形阵列操作或旋转操作得到所有的连接点局部编号和坐标，但构件横截面钢号和规格不同，根据表1，各个构件的横截面编号通过分段编号索引由轮换数组给出，从而简化程序代码。

步骤3)生成ANSYS软件建模所需的ADPL文件，具体包括：

a)新建文件并写文件头：

fid＝fopen('fname','w')；

fprintf(fid,'finish\n/clear\n/prep7\n')；

b)写梁单元类型，以beam188梁单元为例：

fprintf(fid,'et,1,beam188\n')；

c)写材料参数：

d)写横截面类型，以角钢为例：

e)写关键点坐标(即连接点的坐标和参考点的坐标)：

for i＝1:NN

fprintf(fid,'k,％3d,％7.4f,％7.4f,％7.4f\n',i,NC(:,i))；

end

f)写构件起止关键点，赋材料编号、单元类型编号、指定参考点和横截面编号：

g)划分网格：

fprintf(fid,'allsel,all\nlmesh,all\nallsel,all\n')；

h)建模结束并关闭文件：

fprintf(fid,'finish\n\n')；

fclose(fid)。

以下是对本发明提供的一种输电塔有限元模型建立装置进行详细的描述。

本发明还提供一种输电塔有限元模型建立装置，装置包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行前述的一种输电塔有限元模型建立方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，包括：

S1、建立整体坐标系，根据给定的设计图纸，对输电塔进行分段；

S2、根据分段后输电塔的特征结构计算每个分段内的连接点坐标，确定分段内与每根构件相关联的连接点局部编号和对应的连接点总体编号，并确定每根构件的构件横截面编号；

S3、根据与每根构件相关联的连接点局部编号及角钢构件截面方向指定原则确定每根构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和对应的参考点总体编号；

S4、根据每根构件的连接点局部编号、参考点局部编号和构件横截面编号，生成构件与连接点关联数组；

S5、确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号；

S6、根据构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号、参考点总体编号及构件横截面编号、连接点坐标、参考点坐标、给定的材料参数数组和构件横截面数组生成输电塔有限元模型的建模文件；

S7、将建模文件导入有限元软件建立输电塔有限元模型。

2.根据权利要求1所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S1中对输电塔进行分段具体包括：

将输电塔分为主体结构和附属横担，每对附属横担作为一个分段，对主体结构，沿输电塔的高度方向，每个特征结构作为一个分段。

3.根据权利要求2所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述特征结构由一个以上形成环形阵列的子结构组成；

所述子结构包括子结构1、子结构2和子结构3，所述子结构1的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5，所述子结构2的连接点位于同一高度处，连接点类型包含P1和P2，所述子结构3的连接点至少位于两个不同高度处，连接点类型包含P2、P3、P4和P5；

所述连接点类型具体为：输电塔塔高方向中心线上的构件连接点定义为P1连接点；输电塔轮廓四根脊线上的连接点定义为P2连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标轴上的连接点定义为P3连接点；输电塔轮廓面内投影后位于水平面坐标系象限内的连接点定义为P4连接点；输电塔中不在脊线、轮廓面和塔高方向中心线上的连接点定义为P5连接点。

4.根据权利要求3所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

从设计图纸获取特征结构的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，通过环形阵列操作得到其余形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

5.根据权利要求4所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

根据设计图纸和角钢构件横截面方向的指定方法，确定构件截面方向参考点坐标、参考点局部编号和参考点总体编号。

6.根据权利要求3所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述附属横担由两个子结构组成；

所述步骤S2还包括：

从设计图纸获取附属横担的一个子结构对应的连接点，计算连接点的坐标和局部编号，判断附属横担的另一个子结构是否与该子结构对称，若是，则通过环形阵列操作得到该形成环形阵列的子结构的连接点坐标和连接点局部编号，若否，则单独生成该另一个子结构的连接点坐标和连接点局部编号；

根据附属横担的子结构内与每根构件相关联的构件型号规格信息确定每根构件的构件横截面编号。

7.根据权利要求5所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

将每根构件的两个连接点局部编号、一个参考点局部编号和一个构件横截面编号作为构件与连接点关联数组的前四维度，根据不同高度的特征结构对应的构件横截面编号计算出横截面编号轮换数组作为构件与连接点关联数组的第五维度。

8.根据权利要求1所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

根据构件与连接点关联数组的连接点局部编号和参考点局部编号确定构件与连接点关联数组对应的连接点总体编号和参考点总体编号。

9.根据权利要求1所述的一种输电塔有限元模型建立方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

创建建模文件，在建模文件中生成以下命令：

前处理文件头；

设定梁单元类型；

根据构件横截面数组生成设置材料属性和横截面参数；

根据构件与连接点关联数组中的前两个维度对应的连接点总体编号将两个连接点按顺序连成线；

选择该线；

根据构件与连接点关联数组中的后两个维度赋予该线的材料类型、单元类型、参考点总体编号和构件横截面编号；

生成和划分网格；

前处理结束。

10.一种输电塔有限元模型建立装置，其特征在于，所述装置包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-9任一项所述的一种输电塔有限元模型建立方法。