CN109282961A - 一种输电塔气弹性模型参数调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种输电塔气弹性模型参数调整方法及装置。本申请根据原型塔和模型塔杆件上稳定临界应力相同的条件进行模型杆体规格匹配，并通过外包轻质ABS板保证各杆件气动外形相似以及结构质量特性相似。最后依照得出的规格参数搭建输电塔气弹性模型，能够实现从构件上满足临界应力相同，从结构上满足破坏模式相似，在风洞试验中模拟出结构的失稳破坏情况，从而提高输电塔结构极限状态气弹试验结果的准确性，解决了现有的输电塔气弹性模型难以准确地模拟输电塔结构在失稳破坏模式下的气弹响应的技术问题。

Description

一种输电塔气弹性模型参数调整方法及装置

技术领域

本申请涉及空气动力学模型领域，尤其涉及一种输电塔气弹性模型参数调整方法及装置。

背景技术

输电塔气弹性模型用于输电塔线体系的气弹性风洞试验，目前，输电塔气弹模型的设计包括有离散刚度法。其中，离散刚度法要求模型各型材既做到刚度相似又做到几何相似，是将输电塔的各个型材进行刚度和几何的模拟，可以较准确地模拟输电塔塔架主要型材的轴向刚度和几何尺寸，所以基于离散刚度法设计的模型与真型的相似性最好，但模型制作难度大，制作的模型很难保证在各个型材刚度和几何尺寸相似的情况下做到模型的整体刚度和质量的严格相似。

然而现有的气弹性模型制作方案主要针对正常的结构气弹性响应来设计，注重结构的整体响应，如结构的位移、速度和加速度等，且按照离散刚度法的要求制作的模型很难保证在各个型材刚度和几何尺寸相似的情况下做到模型的整体刚度和质量的严格相似，导致了现有的输电塔气弹性模型难以准确地模拟输电塔结构在失稳破坏模式下的气弹响应的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种输电塔气弹性模型杆件及输电塔气弹性模型，用于解决现有的输电塔气弹性模型难以准确地模拟输电塔结构在失稳破坏模式下的气弹响应的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种输电塔气弹性模型参数调整方法包括：

获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据所述截面面积确定所述模型杆件外径参数和厚度参数；

以所述原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定所述原型输电塔达到失稳状态时，各个所述原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将所述应力值转换成对应的目标稳定系数；

根据所述模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定所述模型杆件的设计稳定系数，若所述设计稳定系数小于所述目标稳定系数，则更新所述模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数对应的所述设计稳定系数不小于所述目标稳定系数时，输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数。

优选地，所述相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

优选地，所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积具体包括：

所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中所述模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

优选地，所述输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数之后还包括：

根据所述原型杆件的实际质量参数，根据所述质量相似比，计算出与所述原型杆件一一对应的所述模型杆件的目标质量参数，并根据所述模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个所述模型杆件的配重参数。

本申请提供了一种输电塔气弹性模型参数调整装置，包括：

初始参数获取单元，用于获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据所述截面面积确定所述模型杆件外径参数和厚度参数；

有限元仿真单元，用于以所述原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定所述原型输电塔达到失稳状态时，各个所述原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将所述应力值转换成对应的目标稳定系数；

参数调整单元，用于根据所述模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定所述模型杆件的设计稳定系数，若所述设计稳定系数小于所述目标稳定系数，则更新所述模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数对应的所述设计稳定系数不小于所述目标稳定系数时，输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数。

优选地，所述相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

优选地，所述初始参数获取单元具体用于：

所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中所述模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

优选地，还包括：

配重参数计算单元，用于根据所述原型杆件的实际质量参数，根据所述质量相似比，计算出与所述原型杆件一一对应的所述模型杆件的目标质量参数，并根据所述模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个所述模型杆件的配重参数。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请提供了一种输电塔气弹性模型参数调整方法包括：

获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据所述截面面积确定所述模型杆件外径参数和厚度参数；

以所述原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定所述原型输电塔达到失稳状态时，各个所述原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将所述应力值转换成对应的目标稳定系数；

根据所述模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定所述模型杆件的设计稳定系数，若所述设计稳定系数小于所述目标稳定系数，则更新所述模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数对应的所述设计稳定系数不小于所述目标稳定系数时，输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数。

本申请根据原型塔和模型塔杆件上稳定临界应力相同的条件进行模型杆体进行规格匹配仿真，并通过外包轻质塑料板保证各杆件气动外形相似以及结构质量特性相似。最后依照得出的规格参数搭建输电塔气弹性模型，能够实现从构件上满足临界应力相同，从结构上满足破坏模式相似，在风洞试验中模拟出结构的失稳破坏情况，从而提高输电塔结构极限状态气弹试验结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请提供的一种输电塔气弹性模型参数调整方法的第一个实施例的流程示意图；

图2为本申请提供的一种输电塔气弹性模型参数调整方法的第二个实施例的流程示意图；

图3为本申请提供的一种输电塔气弹性模型参数调整装置的结构示意图

图4为本申请提供的一种输电塔气弹性模型的模型杆件的正视图；

图5为本申请提供的一种输电塔气弹性模型的模型杆件的俯视图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种输电塔气弹性模型杆件及输电塔气弹性模型，用于解决现有的输电塔气弹性模型难以准确地模拟输电塔结构在失稳破坏模式下的气弹响应的技术问题。

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1、图2、图4和图5，本申请提供了一种输电塔气弹性模型参数调整方法包括：

101、获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据截面面积确定模型杆件外径参数和厚度参数；

102、以原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定原型输电塔达到失稳状态时，各个原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将应力值转换成对应的目标稳定系数；

103、根据模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定模型杆件的设计稳定系数，若设计稳定系数小于目标稳定系数，则更新模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的模型杆件的外径参数和厚度参数对应的设计稳定系数不小于目标稳定系数时，输出当前的模型杆件的外径参数和厚度参数。

进一步地，相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

进一步地，获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积具体包括：

获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

进一步地，步骤103之后还可以包括：

104、根据原型杆件的实际质量参数，根据质量相似比，计算出与原型杆件一一对应的模型杆件的目标质量参数，并根据模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个模型杆件的配重参数。

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请基于离散刚度法的输电塔气弹性模型杆件的设计过程进行详细说明。

具体包括：第一步，计算模型杆件的截面面积。根据风洞的几何尺寸，选择模型的几何缩尺比为1:n。进而根据输电塔气弹模型相似理论初步选择构件截面，各参数相似比如表：

对于空间格构式塔架，其整体刚度、质量和阻尼主要由空间型材、节点板的材料、尺寸以及塔座等约束形式所决定，为真实反映各部位对整体塔的动力特性的影响与贡献，完全气弹模型塔应该与原型塔刚度、质量的空间分布相似。按照Cauchy数相似比，将输电塔型材视为二力杆，则拉伸刚度相似比满足根据原型型材的弹性模量E、原型型材的截面面积A和模型杆件材料(不锈钢)的弹性模量E₀，可得模型的型材截面面积A₀：

由于模型材料规格的限制，不能使每个型材的刚度都完全严格满足，在模型制作时对输电塔刚度贡献大的型材，其刚度误差控制在5％以内，而其他型材截面的选取，其刚度误差控制在10％以内。

第二步，模型杆件截面尺寸的初步选择。通过计算，模型塔四周角柱的L型角钢型材的刚度由空心刚针管1模拟，对于斜杆和横隔杆，亦根据刚度相似比，分别采用不同直径的空心刚针管1模拟构件的刚度。D为空心刚针管1的外径，h为空心刚针管1的厚度，则由：

根据市面可以买到的空心刚针管1的规格，可以选出几组满足截面积要求的D和h，由于空心刚针管1的截面惯性矩I₀:

所以，在定出的几组可选择的规格中，选择厚度小、外径大的一组空心刚针管1，从而使得截面惯性矩尽可能大。并且对截面积相近的型材进行归并，归并后所有型材截面尺寸减少到10种左右。

第三步，结合有限元程序计算结果进行截面调整。在有限元软件中建立原型输电塔的模型，设置材料参数，按荷载增量法进行静力推倒分析。令原型塔塔顶施加的力为F，逐步加大F，直至塔身型材出现失稳破坏。锁定失稳的那部分型材，在软件后处理中提取出这部分型材失稳时的临界应力σ，该临界应力应与模型塔对应型材的临界应力相同。由二力杆失稳临界应力 为型材的稳定系数，f为模型材料的抗拉强度设计值，计算可得的目标值。

由于设计的模型杆件为不锈钢空心刚针管1，由《钢结构设计规范》(GB50017-2014)可知其轴心受压型材的截面分类对x轴和y轴均为a类，由长细比λ：

其中l₀为型材的计算长度。根据《钢结构设计规范》(GB50017-2014)附录三中附表3.1，由的值即可查得设计型材的稳定系数增大截面的D和h，使得设计型材的值等于由公式计算得到的目标稳定系数值，从而满足型材临界应力相等的条件。

对于没有达到失稳状态的主材，提取这部分型材最终的应力σ，由公式计算稳定系数用与上述同样的方法检验已经设计的这部分主材型材稳定系数是否小于计算的稳定系数若不小于，则不进行调整，若小于，则增大截面的D和h，使其稳定系数等于计算的稳定系数以保证设计的这部分型材如原型的一样，不会发生失稳。

第四步，截面调整结果校核。截面调整之后，再进行一次截面尺寸归并，按归并后的截面参数，在软件中建立模型的有限元模型，用与第三步相同的方法进行静力推倒分析，对应于原型塔施加的力F，模型塔应施加的力为Fn^-3，按荷载增量法逐步加载至结构破坏，对比原型塔和模型塔的失稳破坏结果，若破坏位置高度误差小于5％，则调整结束，否则，重复第三步的操作。

第五步，几何外形模拟。按照设计的截面尺寸的空心刚针管1搭建输电塔骨架，通过外包轻质ABS材料的“L”型材2保证各型材气动外形相似，肢长为模型杆件的肢长，肢宽满足几何相似比，肢厚不小于肢宽的1/10，以满足刚性外衣的要求。粘贴时沿肢长分成小段，在内侧用AB胶点粘于空心刚针管1之上，在保证粘牢的同时尽可能降低型材对空心刚针管1的刚度影响，型材形式如图4所示。

第六步，质量相似模拟。按气弹模型制作的相似比要求，结构的质量应当严格模拟，以确保结构动力特性的相似性。几何模型制作完成以后，通过配重铅丝3保证模型各构件质量相似比在铁塔的适当位置截断，将其分成若干段，每一段根据质量相似比的要求，用铅丝3配重。配重时按照均匀、对称的原则将铅丝3粘贴在型材的内侧，形式如图5所示。配重完成之后将模型组装连接成一个整体。

最后一步，制作好模型之后，利用传感器测试模型的低阶自振频率，若其与原型结构有限元模型的低阶自振频率按频率相似比换算之后的结果误差在±5％以内，则设计完成，否则根据结果增加或者减少配重铅丝3的数量来对结构质量进行调整，再进行频率测量，使得最终低阶频率满足频率相似比要求为止。

本申请基于稳定应力等效的输电塔极限状态气弹模型设计方法，按照该方法设计的输电塔气弹模型既能够在风洞试验中反映实际结构的动力响应，又能够模拟出结构的失稳破坏情况，从而完成该类考察输电塔结构抗风极限状态的气弹性试验。通过采用空心刚针管1模拟各构件的刚度，并根据原型塔和模型塔杆件上稳定临界应力相同的条件进行截面调整，最后再通过外包轻质ABS板保证各杆件气动外形相似，通过配重铅丝3保证结构质量特性相似。该方法易于操作，并且设计能够实现从构件上满足临界应力相同，从结构上满足破坏模式相似，在风洞试验中模拟出结构的失稳破坏情况，从而提高输电塔结构极限状态气弹试验结果的准确性。

以上为本申请提供的一种输电塔气弹性模型参数调整方法的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种输电塔气弹性模型参数调整装置的详细说明。

请参阅图3，本申请实施例提供了一种输电塔气弹性模型参数调整装置，包括：

初始参数获取单元201，用于获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据截面面积确定模型杆件外径参数和厚度参数；

有限元仿真单元202，用于以原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定原型输电塔达到失稳状态时，各个原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将应力值转换成对应的目标稳定系数；

参数调整单元203，用于根据模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定模型杆件的设计稳定系数，若设计稳定系数小于目标稳定系数，则更新模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的模型杆件的外径参数和厚度参数对应的设计稳定系数不小于目标稳定系数时，输出当前的模型杆件的外径参数和厚度参数。

进一步地，相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

进一步地，初始参数获取单元201具体用于：

获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

进一步地，还包括：

配重参数计算单元204，用于根据原型杆件的实际质量参数，根据质量相似比，计算出与原型杆件一一对应的模型杆件的目标质量参数，并根据模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个模型杆件的配重参数。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种输电塔气弹性模型参数调整方法，其特征在于，包括：

获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据所述截面面积确定所述模型杆件外径参数和厚度参数；

以所述原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定所述原型输电塔达到失稳状态时，各个所述原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将所述应力值转换成对应的目标稳定系数；

根据所述模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定所述模型杆件的设计稳定系数，若所述设计稳定系数小于所述目标稳定系数，则更新所述模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数对应的所述设计稳定系数不小于所述目标稳定系数时，输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数。

2.根据权利要求1所述的一种输电塔气弹性模型参数调整方法，其特征在于，所述相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

3.根据权利要求2所述的一种输电塔气弹性模型参数调整方法，其特征在于，所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积具体包括：

所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中所述模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

4.根据权利要求2所述的一种输电塔气弹性模型参数调整法方法，其特征在于，所述输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数之后还包括：

根据所述原型杆件的实际质量参数，根据所述质量相似比，计算出与所述原型杆件一一对应的所述模型杆件的目标质量参数，并根据所述模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个所述模型杆件的配重参数。

5.一种输电塔气弹性模型参数调整装置，其特征在于，包括：

初始参数获取单元，用于获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的相似比参数，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，并根据所述截面面积确定所述模型杆件外径参数和厚度参数；

有限元仿真单元，用于以所述原型输电塔的实际数据作为输入量，通过有限元模型静力推倒仿真，确定所述原型输电塔达到失稳状态时，各个所述原型杆件的应力值，并根据应力与稳定系数转换公式，将所述应力值转换成对应的目标稳定系数；

参数调整单元，用于根据所述模型杆件外径参数和厚度参数，通过钢结构稳定系数表确定所述模型杆件的设计稳定系数，若所述设计稳定系数小于所述目标稳定系数，则更新所述模型杆件的外径参数和厚度参数，当当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数对应的所述设计稳定系数不小于所述目标稳定系数时，输出当前的所述模型杆件的外径参数和厚度参数。

6.根据权利要求5所述的一种输电塔气弹性模型参数调整装置，其特征在于，所述相似比参数具体包括：几何相似比、风速相似比、频率相似比、拉伸刚度相似比、质量相似比和阻尼相似比。

7.根据权利要求6所述的一种输电塔气弹性模型参数调整装置，其特征在于，所述初始参数获取单元具体用于：

所述获取待制作的输电塔气弹性模型与原型输电塔的拉伸刚度相似比参数，结合模型杆件的截面面积计算公式，确定与所述原型输电塔的各个原型杆件一一对应的模型杆件的截面面积，其中所述模型杆件的截面面积计算公式具体为：

式中，E为原型杆件的弹性模量，A为原型杆件的截面面积，E₀为模型杆件材料的弹性模量，A₀为模型杆件截面面积，n^-3为缩尺比为1:n时的比例系数。

8.根据权利要求6所述的一种输电塔气弹性模型参数调整法装置，其特征在于，还包括：

配重参数计算单元，用于根据所述原型杆件的实际质量参数，根据所述质量相似比，计算出与所述原型杆件一一对应的所述模型杆件的目标质量参数，并根据所述模型杆件的实际质量参数与目标质量参数之差，确定各个所述模型杆件的配重参数。