CN111611638A - 一种输电铁塔有限元模型建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电铁塔有限元模型建模方法及装置，包括步骤：(1)输电铁塔结构包括主材、斜材和辅材，根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算主材的空间直线位置方程，选定关键点；(2)根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点；(3)进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成主材、斜材和辅材结构；(4)对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，并施加塔腿约束，形成输电铁塔有限元模型，用于输电铁塔荷载设计分析。本发明建模的流程，通过对相关参数的控制，可以灵活实现同一类型不同呼高输电塔结构模型的建立，具有较好的移植性以及便捷性。

Description

一种输电铁塔有限元模型建模方法及装置

技术领域

本发明属于输电铁塔数值分析领域，尤其涉及一种输电铁塔有限元模型建模方法及装置。

背景技术

输电线路是国家能源的大动脉，是经济发展的原动力，具有特殊的公用性和时效性。铁塔作为输电线路的重要支撑部分，其整体倒塌或局部破坏都将导致输电线路的时效断电，对电网产生重大破坏，造成严重的后果。倒塔绝大多数是由外部因素造成，如人为破坏、地质灾害、强台风、稀有覆冰和飑线风等极端天气状况，其中由极端天气造成的倒塔、现象尤为严重。

目前输电塔荷载设计分析的专业软件主要是满应力以及道亨计算软件，此类软件所建立模型为输电塔的空间桁架模型，所有杆件大致均为二力杆，只承受上部结构传递的轴力，无弯矩作用。考虑到实际结构的节点板以及螺栓等的连接，主材结构会承受弯矩、剪力等的作用，采用桁架模型使得结果计算偏大，不能有效的利用实际的杆材，并不能有效对输电塔进行模拟分析。

因此，需要其他的有限元软件建立一种新的数值模型。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种输电铁塔有限元模型建模方法及装置，得到更加符合实际的输电塔模型。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种输电铁塔有限元模型建模方法，包括步骤：

(1)根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，选定关键点；

(2)根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点；

(3)进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成输电铁塔结构的主材、斜材和辅材结构；

(4)对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，形成输电铁塔有限元模型。

进一步地，所述步骤1中，关键点的选定具体包括：根据主材的空间直线位置方程，选定其他杆件与主材的连接点作为关键点；根据输电铁塔结构对称性，选定同一高度截面上的其他对称关键点。

进一步地，所述步骤2中，关键点的建立通过嵌套循环命令实现。

所述嵌套循环过程具体为：杆件控制参数lc和关键点控制参数kc初始值为0，通过基准杆塔呼高h和后续设计杆塔呼高hc参数的不同，在建模过程中调整杆件控制参数lc和关键点控制参数kc，使得关键点编号随高度增长连续增加。

进一步地，所述步骤4中，自由度的调整具体包括：如果斜材与斜材的连接位置为螺栓铰接，选中连接处所有节点位置，约束节点位置的位移自由度；如果斜材与主材的连接位置为杆件铰接，选中连接处所有节点位置，释放节点位置的转角自由度。

进一步地，通过空间两点坐标计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，为：

其中，A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)为主材的上下位置坐标。

一种输电铁塔有限元模型建模装置，包括：

关键点选定模块，用于根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，选定关键点；

关键点建立模块，用于根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点；

结构模型建立模块，用于进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成输电铁塔结构的主材、斜材和辅材结构；

有限元模型建立模块，用于对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，形成输电铁塔有限元模型。

有益效果：本发明建模的流程，通过对相关参数的控制，可以灵活实现同一类型不同呼高输电塔结构模型的建立，具有较好的移植性以及便捷性；对于复杂的结构模型采用APDL语言更适用于模型的调整与分析，以便结构进一步的深入研究。

附图说明

图1是输电铁塔结构示意图；

图2是输电铁塔有限元模型构件连接方式，a为斜材之间的连接方式，b为主材、斜材、辅材连接方式；

图3是输电铁塔有限元模型建模方法流程图；

图4是关键点示意图

图5是ZS型输电铁塔有限元数值模型图；

图6是ZS型输电铁塔塔腿编号及空间坐标。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的输电铁塔结构是由不同规格角钢连接而成的复杂空间体系，一般包括塔脚、塔腿、塔头、塔身、横隔、若干挂导线横担，每个部分横截面均为正方形，塔身部分为若干塔段，具有高度对称性的特征，塔头上设置地线支架。

输电铁塔结构的几何参数主要包括总高、呼高和根开，总高是指塔头到塔脚的结构整体高度，呼高是指最低挂导线横担到塔脚的高度，根开则表示塔脚的宽度，包括长根开和短根开。根据输电铁塔结构的受力特点和空间位置，构成铁塔的角钢构件可以分为主材、斜材、辅材，其中，主材为主要的受力构件，在塔段之内并不断开，其截面尺寸相对较大。

在ANSYS软件的单元库中提供多种单元形式，如杆单元、梁单元、管单元，均可称为线单元，其特征是一个方向的尺寸远远大于其他两个方向的尺寸；还有壳单元、2D实体单元以及3D实体单元等，需要根据结构的几何尺寸以及受力特点进行选取。输电塔结构是由杆件组合而成，输电塔杆件的受力特点是承受弯矩、扭矩和轴向力，应此在数值模拟的过程中，考虑杆件的受力采用梁单元来模拟可以大量简化工作量，便于有限元模型的建立以及分析。

本发明采用梁单元建立输电铁塔的数值模型，在结构的螺栓铰接处通过修改部分节点的自由度达到实际的模拟效果。

考虑主材、斜材、辅材的受力状态，采用梁单元进行模拟最为符合实际受力状态。本发明采用Beam188三维梁单元进行杆件的模拟，Beam188单元基于Timoshenko梁结构理论，考虑了剪切变形的影响，非常适合线性、大角度转动、非线性以及大变形分析。梁单元各端节点包含X、Y、Z方向的位移和绕这3个轴的扭转共6个自由度，使用该单元可反应结构拉、压、弯、剪、扭的受力性能，实现端部节点的单边约束，也能使模型中角钢的方向与实际结构完全一致，从而最大限度减小计算误差。

对于输电塔内各交叉斜材之间的单螺栓连接，采用节点耦合的方式进行模拟，即在计算中令两个斜材相交处结点的X、Y、Z三向线位移完全相同，但不考虑转动的互相约束，如图2(a)所示。输电塔主材与斜材、斜材与辅材之间的螺栓连接，由于梁单元之间的默认连接均为理想的刚接状态，相比于实际模型不相符，在建模过程中通过单元属性参数控制、选取以及释放相关构件的自由度，以达到实际铰接的目的，如图2(b)所示。

由于角钢截面尺寸以及材料属性不统一，采用GUI方式直接建模较为困难，利用软件自带的APDL语言，采用自底而上建模思想的建立输电塔有限元模型。输电塔有限元模型的建立主要分为两个大的步骤：输电塔的角钢构件的建立和杆件自由度的耦合。

输电铁塔有限元模型建模方法流程图如图3所示，其中，h为基准杆塔呼高，hc为后续设计杆塔呼高，lc为杆件控制参数，kc为关键点控制参数。控制参数lc、kc的初始值均为0，通过杆塔结构h、hc参数的不同在建模过程中进行数值的调整，使得关键点编号呈现连续增加的规律，便于后期杆件的建立以及单元划分。

输电铁塔有限元模型建模方法包括步骤：

(1)根据输电铁塔的结构图纸及杆塔结构参数信息，计算主材所在直线的空间位置方程，列出每塔段内关键点的空间高度；定义各杆件的材料属性，并定义角钢截面几何形状的控制参数；

一般输电塔塔身整体呈现直线型，同时具有对称性，数值模型原点位于塔底截面形心位置，输电塔高度方向为Z轴方向。

输电塔塔身由四根主材组成，按照塔的底面根开、塔顶截面和塔的总高度，可以确定其中一根主材的上下位置坐标，例如：A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)，通过空间两点坐标求出塔主材的直线方程，例如：

通过上述方法确定的输电塔主材在空间的直线方程，通过结构图纸确定其他杆件与主材的连接高度进行z的确定，定出主材上的关键点的空间位置，同时通过塔本身具有的对称性，可以确定同一高度截面主材上的其他对称关键点。

在材料的属性定义中，将主材结构单元定义为类型1，将空间模型前后面斜材、辅材杆件结构单元定义为类型2，将空间模型左右面斜材、辅材杆件结构单元定义为类型3。

(2)利用主材的空间直线方程以及相关关键点的空间高度，利用结构自身的对称性建立各个关键点，利用APDL参数建模的优势，通过参数控制、数组以及循环语句，定义角钢截面，定位关键点；使得随着高度的增加，关键点编号呈现连续、有规律的增加；对于横担部分杆件，按照图纸单独生成关键点进行模型的建立；

当基准杆塔呼高h等于后续设计杆塔呼高hc，调整杆件控制参数lc和关键点控制参数kc。控制参数lc、kc的初始值均为0，通过杆塔结构h、hc参数的不同在建模过程中进行数值的调整，使得关键点编号呈现连续增加的规律。

由于塔身部分结构相似，生成关键点过程中可以嵌套循环命令，便于操作；对于横隔层以及横担部分杆件，按照图纸单独生成关键点进行模型的建立，关键点图如图4所示。

(3)参考杆件定位关键点的位置进行杆件关键点连线，建立杆件并进行单元划分，并赋予相关材料属性，划分网格生成主材以及斜材结构，使得角钢的空间位置更加符合实际；

(4)根据图纸对部分结构的自由度进行调整，包括释放自由度以及增加约束；对数值模型施加塔腿的约束，完成前处理。

在斜材的相交位置为螺栓的铰接，通过对杆件节点位置选取，通过约束命令将此处的三个方向位移自由度进行约束在一起；在斜材与主材的连接位置视为杆件的铰接，通过前面主材以及斜材杆件结构单元类型的不同定义，选中此处的所有结点，先将此处相关节点绕面法向的转角自由度通过命令进行释放，然后选中其中单元类型1(即主材杆件)的节点进行法向方向转交自由度的耦合。

按照上述的建模流程，通过对与相关参数的控制，可以灵活实现同一类型不同呼高ZS型输电塔结构模型的建立，具有较好的移植性以及便捷性；并且，对于复杂的结构模型采用APDL语言更适用于模型的调整与分析，以便结构进一步的深入研究。

以下以一个具体实施例对本发明方法作进一步地说明。

本发明实施例建立的输电塔模型为ZS上字型输电塔，该型输电塔在我国内分布范围广泛，并且服役时间较长，对此类输电塔研究有重要的实际意义。数值模型的塔高为42.3m，呼高36.0m，电压等级为110kv；输电导线分为三层，从低到高依次为下相导线、上相导线、地线，上下相导线层高为3.5m，地线支架高2.8m。塔身辅材、斜材、主材、横隔层、塔头横担截面形式均为等边角钢，且角钢截面尺寸随着高度增加逐渐减小，相关参数以及位置如表1所示。

输电塔模型的物理参数依据ZS型输电塔材料汇总图、结构图以及相关规范确定，输电塔构件采用Q235钢和Q345钢两种材料，由于钢结构构件破坏时候，都会进入塑性状态，为了更好地模拟输电塔的受力性能，因此必须考虑材料的非线性，本发明分析中角钢材料的基本物理参数如表2所示。

表1

表2

本发明所建立ZS型输电塔有限元数值模型如图4所示，有限元模型包括302个关键点，1648个节点，1421个单元数，模型总质量为7.25吨；输电塔数值模型四个支座与基础的刚性连接通过约束X、Y、Z三个方向的平动自由度UX、UY、UZ和转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ进行模拟；数值模型反应了图纸所有构件以及其几何参数、空间位置。

如图5所示在空间坐标系中，1#、2#、3#、4#分别为四根主材的编号，y方向即为顺导、地线方向，x向为垂直于导、地线方向，z方向为高度方向。在ANSYS有限元软件建模的过程中采用国际单位制度，长度单位为mm、质量单位为kg，时间单位为s，力的单位为10^-3N，弹性模量单位为KPa，密度单位为kg/mm³，在实际的建模过程中应根据情况进行单位的统一设置。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种输电铁塔有限元模型建模装置，下面进行说明。

一种输电铁塔有限元模型建模装置，包括关键点选定模块、关键点建立模块、结构模型建立模块和有限元模型建立模块。

关键点选定模块，用于根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，选定关键点。

关键点建立模块，用于根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点。

结构模型建立模块，用于进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成输电铁塔结构的主材、斜材和辅材结构。

有限元模型建立模块，用于对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，形成输电铁塔有限元模型。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，包括步骤：

(1)根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，选定关键点；

(2)根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点；

(3)进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成输电铁塔结构的主材、斜材和辅材结构；

(4)对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，形成输电铁塔有限元模型。

2.根据权利要求1所述的输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，所述步骤1中，关键点的选定具体包括：

根据主材的空间直线位置方程，选定其他杆件与主材的连接点作为关键点；

根据输电铁塔结构对称性，选定同一高度截面上的其他对称关键点。

3.根据权利要求1所述的输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，所述步骤2中，关键点的建立通过嵌套循环命令实现。

4.根据权利要求3所述的输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，所述嵌套循环过程具体为：

杆件控制参数lc和关键点控制参数kc初始值为0，通过基准杆塔呼高h和后续设计杆塔呼高hc参数的不同，在建模过程中调整杆件控制参数lc和关键点控制参数kc，使得关键点编号随高度增长连续增加。

5.根据权利要求1所述的输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，所述步骤4中，自由度的调整具体包括：

如果斜材与斜材的连接位置为螺栓铰接，选中连接处所有节点位置，约束节点位置的位移自由度；

如果斜材与主材的连接位置为杆件铰接，选中连接处所有节点位置，释放节点位置的转角自由度。

6.根据权利要求1所述的输电铁塔有限元模型建模方法，其特征在于，通过空间两点坐标计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，为：

其中，A(x₁,y₁,z₁)、B(x₂,y₂,z₂)为主材的上下位置坐标。

7.一种输电铁塔有限元模型建模装置，其特征在于，包括：

关键点选定模块，用于根据输电铁塔结构实际的参数信息，计算输电铁塔结构主材的空间直线位置方程，选定关键点；

关键点建立模块，用于根据选定关键点的参数，在软件中建立各个关键点；

结构模型建立模块，用于进行关键点连线建立输电铁塔结构模型，并进行单元划分，生成输电铁塔结构的主材、斜材和辅材结构；

有限元模型建立模块，用于对输电铁塔结构连接处的自由度进行调整，形成输电铁塔有限元模型。

Images