CN110135096A - 一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，本方法采用梁单元(beam188)和杆单元(link180)分析模拟四分裂引下线和管母线，精确求解支点反力。利用实体单元(solid187)模拟滑动型管母固定金具。通过有限元软件ANSYS建立不同参数的管母引下线系统模型，分析各参数对管母约束节点受力的影响。并将管母节点受力作用到金具模型上进行静力分析。该方法可精确求解管母引下线耦合系统的节点反力，并将其应用到金具的受力计算中去，完善管母引下线系统的布置方式和相应的金具设计。

Description

一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法
技术领域
本发明涉及变电站技术领域，特别是涉及一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法。
背景技术
目前对于管母引下线线系统的荷载计算，根据《电力工程电气设计手册》的相关规定，并未将管母线和引下线耦合考虑，引下线的计算也是从实用的角度出发，采用简化后的模型利用静力平衡条件求解支点反力，并未考虑引下线在风荷载作用下的非线性变形等问题，和实际情况有所差别。在对管母固定金具进行机械荷载试验时根据国标GB/T 2317.1和GB 8287.2的相关规定，也是考虑的对应的支柱绝缘子的设计荷载，与金具的实际受力情况也有所差别。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，该方法可精确求解管母引下线耦合系统的节点反力，并将其应用到金具的受力计算中去，完善管母引下线系统的布置方式和相应的金具设计。
本发明的目的是这样实现的：
一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，包括以下步骤：
S1、获取建模所需参数；
S2、对引下线找形，并完成引下线的几何建模；
S3、计算引下线所受风荷载；
S4、采用梁单元作为引下线数值模拟的单元；
S5、分析管母线节点的约束形式，和引下线与管母线的相对位置的对管母线约束节点受力的影响，以及引下线的参数对引下线管母系统的受力影响(如引下线单元类型，引下线的垂跨比，引下线约束点的约束形式)，从而完成整个管母引下线系统的受力分析；
S6、建立金具的几何模型；
S7、将金具的几何模型导入ANSYS软件中划分网格，通过引下线管母系统得到管母节点的受力视为管母引下线联接金具受到的由引下线和管母线在风荷载作用下传来的作用力，选择一个具有代表性的典型工况作为金具的荷载来源，并将荷载通过MPC法加载到金具实体模型上；
S8、设置插销侧表面与金具底座滑槽内表面为接触对，设置接触参数，考虑摩擦，不考虑初始间隙和初始穿透，再进行静力非线性计算，得到金具的应力分布。
优选地，步骤S1中，所述模型参数包括引下线、母线、金具的几何参数与材料参数。
优选地，步骤S2中，引下线的找形方法包括：
S21、将引下线视为悬索结构，利用悬链线找形方法对引下线进行初始找形；
S22、通过MATLAB程序编程，利用索单元解析解寻找引下线的初始张力参数；
S23、在ANSYS中利用APDL语言编辑公式，完成引下线的找形。
优选地，步骤S3中，将风荷载等效成沿着高度变化，且作用在引下线节点上的一系列节点荷载，再进行计算。
优选地，步骤S7中，在管母金具上夹具内壁轴线中心点位置设置一个MPC184单元并与管母金具上夹具内壁进行耦合，形成一个刚性区域。将荷载作用到MPC184单元上即可，荷载通过刚性杆传递到金具上。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明采用梁单元(beam188)和杆单元(link180)分析模拟四分裂引下线和管母线，精确求解支点反力。利用实体单元(solid187)模拟滑动型管母固定金具。通过有限元软件ANSY建立不同参数的管母引下线系统模型，分析各参数对管母节点受力的影响。并将管母节点受力作用到金具模型上进行静力分析。本发明方法可精确求解管母引下线耦合系统的节点反力，并将其应用到金具的受力计算中去，完善管母引下线系统的布置方式和相应的金具设计。
附图说明
图1为管母引下线实际布置情况第一视图；
图2为管母引下线实际布置情况第二视图；
图3为引下线空间位置示意图；
图4为7种工况的梁杆单元节点张力对比图；
图5为7种工况两个荷载步的差别对比图；
图6为释放约束点弯矩的梁杆单元节点张力对比图；
图7为释放约束点弯矩后两个荷载步的差别对比图；
图8为三种跨度下不同垂跨比的节点反力图；
图9为三种跨度下不同垂跨比的梁杆单元区别百分比图；
图10为SCDM模块所建几何模型图；
图11为ANSYS自由划分网格图；
图12为MPC184单元的设置图；
图13为底座应力云图；
图14为本发明的流程图。
具体实施方式
一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，包括：
1管母引下线系统数值模拟
1.1管母引下线参数
参考真实案例，2016年6月23日,某变电站运维人员发现某隔离开关B相I母侧过渡管母固定金具断裂，该变电站投运日期2015年10月23日。具体的管母引下线系统布置见图1，图2。
如图1所示，B相I母侧过渡管母引下线顺风向弯曲，查施工图此引下线长度大于13米。如图2所示，B相I母侧过渡管母一端与支撑绝缘子滑动型连接(连接金具断裂，位置已偏出)，一端与刀闸静触头滑动连接，中间偏触头侧与引下线紧固连接。管母和引下线的具体几何参数及材料参数见表1。引下线采用耐热铝合金铝管支撑式扩径导线4xJGQNRLH55XK-700，长度约为13m。导线单位重量为1927Kg/Km，为四分裂导线形式，分裂间距450mm，有6个单重为11.8Kg的间隔棒均匀间隔的布置在引下线上。管母线采用管型母线，长度为8m，导线单位重量为2752.9Kg/Km。根据相关气象资料，该站50年一遇10m高10min平均最大风速为30m/s，相应风压为0.56kN/m2。
表1管母线及引下线几何参数及材料参数
管母线和引下线的相对位置可表示为图3。引下线空间位置距离参数为：AD＝25m，BO＝12.86m，DO＝0.9m。
模型参数
1.2.1导线找形建模过程
1.引下线导线找形可以根据引下线自身材料特性将其看成为悬索结构，利用悬链线找形方法对引下线进行初始找形。根据索结构找形理论，分裂导线中单根导线弧垂的悬链线方程为：
引下线的悬链线模型线长为：
其中
注：γ均布比载，σ是弧垂最低点的轴向应力，l为导线的水平跨度。
2.首先通过MATLAB程序编程寻找导线的初始张力参数。然后在ANSYS中利用APDL语言编辑公式，完成引下线的找形。
1.2.2风荷载计算方法
采用《电力工程电气设计手册电气一次部分》中关于风荷载计算的公式：
注：af＝1是风速不均匀系数；kd＝1.2，是空气动力系数(也称为体型系数)。Af是导线受力方向的投影面积。
vf是导线安装高度处的风速，采用指数型风剖面：
1.2.3梁单元与杆单元的对比分析
Beam188单元适用于分析细长梁，基于Timoshenko梁理论，具有扭切变形效果。Beam188是一个二节点的三维线性梁，每个节点上有6或7个自由度。此外，Beam188能很好的应用于线性(分析)，大偏转，大应力的非线性分析。Beam188能够采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET、SECWRITE和SECREAD来定义任何截面(形状)。弹性，蠕变和塑性模型都是允许的(不考虑)。
LINK180单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像铰接结构一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形、大应变等功能。默认情况下，无论进行何种分析，当使用命令NLGEOM,ON时，LINK180单元的应力刚化效应开关打开。同时本单元还具有弹性、各向同性塑性硬化、动力塑性硬化、Hill(各向异性塑性)、Chaboche(非线性塑性硬化)以及蠕变等性能。
通过引下线的初始找形完成引下线的几何建模后，通常利用LINK单元模拟悬索结构，但是通常所研究的都是输电线路大跨度的输电导线。本文所涉及的引下线长度不过十多米，且跨度极小，高差极大；因此有必要研究哪种单元更适合于四分裂引下线的仿真模拟。本文选用LINK180单元和BEAM188单元分别建立模型。利用两种模型建立高差为零，跨度从10m到40m，跨度间隔为5m的7个典型工况，控制每个工况引下线的初始张力一致，进行自由找形。施加同等大小的竖向布置均匀荷载和自重，其中自重为荷载步1，模拟风荷载的竖向荷载为荷载步2。分析对比结果见图4，图5。
在跨度20m的工况基础上，增加不同跨度工况进行对比，发现在跨度较大时，梁杆单元差别不大，误差在1％以内。随着跨度的缩小，梁杆单元之间的张力被放大，10m工况时，差别超过80％。跨度越小时梁单元的抗弯刚度越明显。
在此基础上分析考虑，梁杆单元之间的差别，杆单元只有三个平动自由度，而梁单元有六个自由度，在采用固结约束六个自由度时，杆单元其实只有三个自由度被约束住，而梁单元被约束了六个自由度。因此分析采用约束三个平动自由度，释放弯矩自由度的工况进行对比。结果见图6，图7。
在释放约束点的弯矩后，梁单元的变形能力增大，梁单元的张力明显变大，10m工况时，梁杆单元差别从84％下降到了15％。
同时需要注意的是梁杆单元间截面刚度EI的不同，杆单元EI为零时完全不抗弯，而梁单元可以模拟导线的截面抗弯刚度。选用等高10m跨度模型且已释放了约束点弯矩，选择梁单元不同的EI和杆单元对比，比较抗弯刚度对导线节点反力的影响，具体布置见表2。
表2不同抗弯刚度的梁单元与杆单元对比表
工况名 调整方式 截面EI 张力(N) 剪力(N) 引下线位移(mm)
1 圆管 3581 5780 2023 10
2 正方形 2245.8 7215.2 2261 14.5
3 实心圆 2186.8 7238.7 2266 14.6
4 实心圆/0.5E 1093.4 6207 2097 15.3
5 实心圆/0.25E 546.7 6429.7 2133.8 24
6 实心圆/0.125E 273.3 6407 2129 44
7 杆单元 0 8302 2443 18
通过上表可知，截面抗弯刚度越低，对于引下线的剪力影响不大，但是张力却有着明显幅度的增加。
根据上述对比分析发现，调整节点约束形式，调整梁单元截面形式，都能够有效减小梁杆单元之间的差别。采用垂跨比作为控制变量分析梁杆单元之间的区别的影响因素，垂跨比，即指的是等高的梁杆单元间的中间最大垂度与跨度的比值，以单根导线的模型，分析20m,10m,5m三种跨度下，不同跨高比的影响。结果见图8，图9。
随着垂跨比的增高，梁杆单元的张力呈“指数”式减小，说明在垂跨比很小时，即模型接近水平的时候模型对张力很敏感。同时，对梁杆单元比较，它们的差别也随着垂跨比的增大而减小。同样在10m和5m跨度工况时，垂跨比的梁杆单元的影响呈现相同的规律。但是值得注意的是，不同的跨度下，相同垂跨比的工况下，梁杆单元间区别百分比并不一致。
通过对两种单元的特性比较发现：
LINK180单元每个节点只有三个自由度，无法传递弯矩，只能模拟节点铰接的情况，而Beam188单元可以传递弯矩，模拟完全固接的情况。
LINK 180单元只受轴向力，只能定义导线截面轴向刚度EA，而不能涉及截面的抗弯刚度EI；上述两点会造成同样工况下杆单元与真实工况相比受力偏大。
在涉及大变形时，由于较小的跨锤比，结构的几何非线性会导致梁杆单元的张力变化幅值差别增大。因此，通过因素分析，考虑与实际工况特性参数更加吻合的梁单元Beam188作为引下线数值模拟的单元。
1.2.4管母节点约束形式及引下线相对位置对受力特点的影响
分析完引下线的受力特点后，将管母线纳入受力体系。分析管母节点约束形式及引下线相对位置对受力特点的影响。对于约束形式的影响可以分别考虑：刚接，铰接，半刚接。从自由度来考虑，可释放弯矩，或者位移。具体工况设计及结果见表3和表4。
表3管母节点约束形式工况布置
表4管母约束形式对节点反力的影响
几个工况比较而言：释放竖向弯矩可以增大轴向弯矩。支座一边横向约束较弱，也会造成另一端弯矩增加。同时，工况四也说明，在对称荷载时，管母的轴向位移很小，不影响荷载分布。
通过以上分析可得：
由于真实工况采用滑动性管母固定金具和刀闸静触头连接管母，即管母节点的约束形式不是完全固接，是在某些平面铰接。通过计算对比，一个平面内的弯矩变化会引起另外两个平面内弯矩的变化。自重方向的铰接形式，与完全固接相比，会增加管母轴线方向的扭矩，从而增加管母金具受到的扭矩。
而根据结构力学的静力平衡方程及变形协调方程，引下线与管母的相对位置会使引下线传给管母的力会根据引下线左右两边的管母线长按线长比例进行分配。即引下线越靠近管母的某一边，管母这边受到的力越大。
2.金具实体模型的静力分析
通过管母引下线系统得到管母节点的受力即可视为管母引下线联接金具受到的由引下线和管母线在风荷载作用下传来的作用力。通过以上管母引下线的分析，既可以选择一个具有代表性的典型工况作为金具的荷载来源。由于金具的外形比较复杂，一般可通过一些3D建模软件建模再导入到ansys中划分网格。本专利采用ansys自带的SCDM模块(SpaceClaim Direct Modeler)进行几何建模并导入到ansys中选用solid187单元自由划分网格。如图10、图11所示。
MPC法：在荷载加载阶段，由于solid单元的特性，弯矩不能直接作用在实体单元上，本专利采用MPC法，在管母金具上夹具内壁轴线中心点位置设置一个MPC184单元并与管母金具上夹具内壁进行耦合，形成一个刚性区域。将荷载作用到MPC184单元上即可，荷载可通过刚性杆传递到金具上。设置结果如图12所示。
接触对的设置：管母金具上夹具通过插销与底座连接，由于插销与底座滑槽有两种材料构成，且两种材料没有紧密接触。这是需要通过设置接触对，完成插销与底座滑槽的接触。需要注意的是，由于初始空隙的原因，在设置接触对的参数时，需要设置缩减初始间隙和减少初始穿透保证计算收敛。
荷载步参数设置：由于滑槽的存在，需要将大位移开关打开：nlgeom,on。同时打开自动荷载步，来预言接触单元状态何时改变并返回当前时间步，减小收敛时间。完成以上设置即可进行静力分析求解计算，最后得到金具底座的受力云图，如图13所示。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取建模所需参数；
S2、对引下线找形，并完成引下线的几何建模；
S3、计算引下线所受风荷载；
S4、采用梁单元作为引下线数值模拟的单元；
S5、分析管母线节点的约束形式，和引下线与管母线的相对位置的对管母线约束节点受力的影响，以及引下线的参数对引下线管母系统的受力影响，从而完成整个管母引下线系统的受力分析；
S6、建立金具的几何模型；
S7、将金具的几何模型导入ANSYS软件中划分网格，通过引下线管母系统得到管母节点的受力视为管母引下线联接金具受到的由引下线和管母线在风荷载作用下传来的作用力，选择一个具有代表性的典型工况作为金具的荷载来源，并将荷载通过MPC法加载到金具实体模型上；
S8、设置插销侧表面与金具底座滑槽内表面为接触对，设置接触参数，考虑摩擦，不考虑初始间隙和初始穿透，再进行静力非线性计算，得到金具的应力分布。
2.根据权利要求1所述的一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，其特征在于，步骤S1中，所述模型参数包括引下线、母线、金具的几何参数与材料参数。
3.根据权利要求1所述的一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，其特征在于，步骤S2中，引下线的找形方法包括：
S21、将引下线视为悬索结构，利用悬链线找形方法对引下线进行初始找形；
S22、通过MATLAB程序编程，利用索单元解析解寻找引下线的初始张力参数；
S23、在ANSYS中利用APDL语言编辑公式，完成引下线的找形。
4.根据权利要求1所述的一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，其特征在于，步骤S3中，将风荷载等效成沿着高度变化，且作用在引下线节点上的一系列节点荷载，再进行计算。
5.根据权利要求1所述的一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，其特征在于，步骤S7中，在管母金具上夹具内壁轴线中心点位置设置一个MPC184单元并与管母金具上夹具内壁进行耦合，形成一个刚性区域。将荷载作用到MPC184单元上即可，荷载通过刚性杆传递到金具上。
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