CN112036061A - 全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法。本发明采用的步骤如下：获取所要研究线路段各杆塔中心的经纬度坐标和高程数据；确定输电线路方向；将经纬度坐标、高程数据转化为空间XYZ坐标；建立ANSYS坐标，计算出各塔基在ANSYS中新的坐标；建立所有杆塔线框模型；为线框模型附属性，建立杆塔有限元模型；建立导地线有限元模型；计算风雨荷载，加载到输电线路塔线体系上进行动力响应分析分析计算。本发明适用于任何地形条件、线路走向下的塔线体系建模；ANSYS坐标系的选取随线路起始段走向变化而变化，简化了建模过程。本发明能充分反映风雨载荷对实际输电线路的影响。
Description
技术领域
本发明属于输电系统设计分析领域，涉及一种全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法。
背景技术
输电线路是关系国计民生的生命线工程，输电塔-线体系的安全直接决定着整个电网的正常运行。自然灾害是造成我国输电线路倒塔的首要原因，我国东南沿海省市以台风灾害最为严重。
目前输电线路的动力响应研究主要有风洞试验和有限元数值模拟方法。但对于恶劣天气，尤其是台风，风洞无法提供相应的试验风速，因此主要采用有限元法来计算输电线路在恶劣天气荷载下的动力响应。对输电线路按照实际的地理信息、线路走向和杆塔实物进行精确建模尤为重要，是动力响应分析的基础。
现有研究都基本集中于同一水平面上的等档距直线等长腿塔线段，实际输电线路很多都架设在山区，塔腿跟开大，四个塔脚高程不同，塔腿采用全方位长短腿而非等长腿，线路走向也不是直线，在多数杆塔处都有偏转。由于同一型号杆塔4个塔腿长度不一，塔身结构一般也有3种变化，塔头根据转角方向不同内外侧横担长度也需调整，模型的基本构件角钢即需要附截面、材料信息也需要指定朝向，所有这些因素的排列组合造成了山区线路建模的复杂性。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种适用于所有地形高程、线路走向的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其使输电线路风雨载荷动力响应分析结果更符合实际。
为此，本发明采用以下的技术方案：全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其包括步骤：
步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；
步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；
步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；
步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；
步骤5、建立所有杆塔线框模型；
步骤6、建立杆塔有限元模型；
步骤7、建立导地线有限元模型；
步骤8、输电塔风荷载计算；
步骤9、输电塔雨荷载计算；
步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型(即杆塔有限元模型和导地线有限元模型)上进行动力响应分析计算。
本发明主要包括实际输电线路的有限元模型建模和在恶劣天气风雨荷载下的动力响应分析。
进一步地，步骤5中，在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第n#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0；建立完毕后，将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基，将所有的点、线编号偏移N，为后一个杆塔腾出足够的编号空间；同理建立、旋转、平移第(n-1)#杆塔线框模型，并将所有的点、线编号偏移N，直到将所有杆塔线框模型建立完毕。
进一步地，步骤6中的杆塔有限元模型为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180、角钢截面、方向关键点、材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。
进一步地，步骤7的具体内容为：用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米，建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。
进一步地，步骤8的具体内容为：依据气象数据，确定10米高度风速，其余高度风速廓线按指数分布公式给出，结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载，
指数分布公式具体为：
其中：V10为标准高度10m处的平均风速；V为Z米高度的风速；α为粗糙度系数。
进一步地，步骤9中，雨滴谱采用Marshall-Palmer雨谱，雨滴的水平速度由水平风速驱动，结合动量定理和冲量等效原则计算输电塔的雨荷载；所述Marshall-Palmer雨谱的特征在于降雨过程中雨粒大小和粒数分布符合如下规律：
n(D,I)＝n0exp(-ΛD)，
上式中，各符号的含义：n(D,I)为在雨强为I条件下，雨滴直径为D的雨粒粒数；常数n0＝8×103/(m3·mm)；Λ＝4.1×103/mm。
进一步地，步骤5中所述杆塔线框模型的建模过程主要包括：将铁塔分成塔腿、塔身和塔头，分别建模，各模块之间通过公共节点连接；预先建立各级接腿的模型，4个塔腿根据腿长分别调用各级接腿；根据线路转向，确定横担的转角内侧与外侧。
进一步地，步骤5中所述将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基涉及到旋转量，按下面方法判定：
有相邻三个杆塔ABC，线路方向A->B->C，C在直线AB上的投影为D，沿线路方向在B处有：
(xB-xA)(yC-yD)>0，
线路左转；上述公式中xA、xB、yC、yD分别表示A点在水平面内的X坐标、B点在水平面内的X坐标、C点在水平面内的Y坐标、D四在水平面内的Y坐标；
(xB-xA)(yC-yD)<0，
线路右转；
线路在B处旋转度数大小为∠DBC，规定符号左转为正，右转为负；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型旋转量相当于从2#到(n-1)#塔基处线路旋转量的叠加加上n#处线路旋转量的一半；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型平移量为此两塔基的坐标增量。
进一步地，步骤6中所述方向关键点到坡面的距离比铁塔坡面几何尺寸大3个数量级以上且到坡面的垂直投影点在坡面内，使得角钢比实际位置绕楞线稍有偏转，但偏转角小到可以忽略(≤0.001rad)，距离越远，误差越小。
进一步地，步骤7中所述悬链线公式为：
其中，x和z为各导线节点坐标计算值，Q为单位长度导线的自重；H为输电线的水平张力；L为两悬挂点的水平距离；c为两悬挂点的垂直高度差。
本发明具有的有益效果如下：与现有技术相比，本发明适用于任何地形条件、线路走向下的塔线体系建模，方便线路模型的扩展；提出的角钢方向指定方法大大简化了以往为每个角钢分别指定方向的做法，尤其在角钢数量巨大时显示出更明显的优势；ANSYS坐标系的选取随线路起始段走向变化而变化，简化了建模过程。本发明能充分反映风雨载荷对实际输电线路的影响。
附图说明
图1为本发明全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力分析总体流程图；
图2为本发明应用例中所选取输电线路段的卫星图；
图3为本发明应用例中ANSYS坐标系中塔线体系示意图；
图4为本发明应用例中输电塔角钢构件朝向模拟图；
图5为本发明应用例中不同雨强下的水平方向雨荷载图；
图6为本发明应用例中2#转角输电塔应力轴力云图；
图7为本发明应用例中3#转角输电塔轴力云图；
图8为本发明应用例中4#直线输电塔轴力云图；
图9为本发明实施例中相邻三个杆塔的线路方向图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好的理解本发明所述方法，下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供一种全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其包括步骤：
步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；
步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；
步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；
步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；
步骤5、建立所有杆塔线框模型；
步骤6、建立杆塔有限元模型；
步骤7、建立导地线有限元模型；
步骤8、输电塔风荷载计算；
步骤9、输电塔雨荷载计算；
步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型上进行动力响应分析计算。
步骤5中，在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第n#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0；建立完毕后，将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基，将所有的点、线编号偏移N，为后一个杆塔腾出足够的编号空间；同理建立、旋转、平移第(n-1)#杆塔线框模型，并将所有的点、线编号偏移N，直到将所有杆塔线框模型建立完毕。
所述杆塔线框模型的建模过程主要包括：将铁塔分成塔腿、塔身和塔头，分别建模，各模块之间通过公共节点连接；预先建立各级接腿的模型，4个塔腿根据腿长分别调用各级接腿；根据线路转向，确定横担的转角内侧与外侧。
步骤5中所述将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基涉及到旋转量，按下面方法判定：
有相邻三个杆塔ABC，线路方向A->B->C，C在直线AB上的投影为D，如图9所示，沿线路方向在B处有：
(xB-xA)(yC-yD)>0，
线路左转；上述公式中xA、xB、yC、yD分别表示A点在水平面内的X坐标、B点在水平面内的X坐标、C点在水平面内的Y坐标、D四在水平面内的Y坐标；
(xB-xA)(yC-yD)<0，
线路右转；
线路在B处旋转度数大小为∠DBC，规定符号左转为正，右转为负；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型旋转量相当于从2#到(n-1)#塔基处线路旋转量的叠加加上n#处线路旋转量的一半；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型平移量为此两塔基的坐标增量。
步骤6中的杆塔有限元模型为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180、角钢截面、方向关键点、材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。
步骤6中所述方向关键点到坡面的距离比铁塔坡面几何尺寸大3个数量级以上且到坡面的垂直投影点在坡面内，使得角钢比实际位置绕楞线稍有偏转，但偏转角小到可以忽略(≤0.001rad)。
步骤7的具体内容为：用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米，建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。
步骤7中所述悬链线公式为：
其中，x和z为各导线节点坐标计算值，Q为单位长度导线的自重；H为输电线的水平张力；L为两悬挂点的水平距离；c为两悬挂点的垂直高度差。
步骤8的具体内容为：依据气象数据，确定10米高度风速，其余高度风速廓线按指数分布公式给出，结合输电塔线的迎风侧投影面积和《建筑载荷规范》风荷载模型计算风荷载，
指数分布公式具体为：
其中：V10为标准高度10m处的平均风速；V为Z米高度的风速；α为粗糙度系数。
步骤9中，雨滴谱采用Marshall-Palmer雨谱，雨滴的水平速度由水平风速驱动，结合动量定理和冲量等效原则计算输电塔的雨荷载；所述Marshall-Palmer雨谱的特征在于降雨过程中雨粒大小和粒数分布符合如下规律：
n(D,I)＝n0exp(-ΛD)，
上式中，各符号的含义：n(D,I)为在雨强为I条件下，雨滴直径为D的雨粒粒数；常数n0＝8×103/(m3·mm)；Λ＝4.1×103/mm。
应用例
以下是一个采用本发明方法的应用例。
步骤1、选定输电线路段
本案例选择苍南至泰顺某输电线路的一段，如图2所示，包含5塔4线，通过施工图获取各杆塔经纬度坐标和电子地图获取高程数据。
步骤2、确定输电线路方向
从输电线路段一端的铁塔开始按序编号，线路方向为1->2->3->4->5。
步骤3、将经纬度坐标、高程数据转化为空间XYZ坐标，具体数据如表1所示。
表1杆塔经纬度高程数据与XYZ坐标
| 塔基 | 东经(°) | 北纬(°) | 高程(米) | X(米) | Y(米) | Z(米) |
| 1 | 120.5720 | 27.70464 | 55 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 120.5749 | 27.70342 | 58 | 285.45 | -135.64 | 3 |
| 3 | 120.5763 | 27.70544 | 61 | 423.26 | 88.94 | 6 |
| 4 | 120.5795 | 27.70405 | 64 | 738.24 | -65.59 | 9 |
| 5 | 120.5822 | 27.70287 | 67 | 1004.00 | -196.78 | 12 |
步骤4、建立ANSYS坐标
以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3中XYZ坐标计算出ANSYS中各塔基新的坐标，具体数据如表2。
表2各塔基在ANSYS选定的坐标系下坐标
| 塔基 | X | Y(高程方向) | Z |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 3 | -316.04 |
| 3 | -261.99 | 6 | -344.12 |
| 4 | -257.58 | 9 | -694.93 |
| 5 | -253.86 | 12 | -991.29 |
步骤5、建立所有杆塔线框模型
在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第5#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0。建立完毕后，将5#线框模型从1#塔基处旋转、平移至第5#塔基，将所有的点、线编号偏移10000，为后一个杆塔腾出足够的编号空间。同理建立、旋转、平移第4#杆塔，并将所有的点、线编号偏移10000，直到将所有杆塔模型建立完毕。
1和5是选取线路段的端塔，对线路响应分析时为了去除端塔的影响，只关注2、3、4的结果，因而塔沿线路方向的转向偏角只考虑2、3、4处，1、5不考虑。沿线路方向，线路在各塔基处的转角方向与大小为：2#处左转83.88°，3#处右转84.60°，4#处无偏转，为直线走向，整体线路走向如图3所示。
步骤6、建立杆塔有限元模型
为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180，角钢截面和方向关键点，材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。
角钢方向关键点示例。设一塔身坡面上四个角点坐标为A(-5,0,5)B(5,0,5)C(-1.6,21,1.6)D(1.6,21,1.6)，平面ABCD上两点的最大距离为AD 22.3米，过A作平面ABCD的垂线，取垂线上的2点，分别位于平面两侧且到平面的距离大于22.3×1000米，符合要求的一对坐标有E(-5,3570,22055)、F(-5,-3570,-22045)，利用这两点可以为ABCD平面内任意角钢指定方向。利用此方法所得角钢朝向如图4所示。
步骤7、建立导地线有限元模型
用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米。建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标、和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。输电线的运行水平张力取拉断力的0.25倍，导地线参数如表3。至此，塔线体系有限元模型建立完毕。
表3导地线参数
| 参数 | JL/G1A-400/35 | JLB20A-120 |
| 截面面积/mm<sup>2</sup> | 425.24 | 121.21 |
| 外径/mm | 26.8 | 14.25 |
| 单位长度质量/(kg/km) | 1347.5 | 810 |
| 弹性模量/MPa | 65000 | 147200 |
| 拉断力/N | 103670 | 146180 |
步骤8、风荷载计算
取10米高度处风速为40m/s，输电线路所在当地地面情况为B类地貌，因而粗糙度根据《建筑载荷规范》取值0.15；结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载。
步骤9、雨荷载计算
雨滴谱采用Marshall-Palmer雨谱，雨滴的水平速度由水平风速驱动，结合动量定理和冲量等效原则计算输电塔的雨荷载。由于使用了无穷积分，使用Python进行雨荷载程序编制，不同雨强对应的雨荷载如图5所示。
步骤10、动力响应计算
将风雨荷载加载到塔线有限元模型上进行动力响应分析计算，2#、3#、4#杆塔轴力云图分别如图6、7、8所示。
Claims (10)
1.全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；
步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；
步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；
步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；
步骤5、建立所有杆塔线框模型；
步骤6、建立杆塔有限元模型；
步骤7、建立导地线有限元模型；
步骤8、输电塔风荷载计算；
步骤9、输电塔雨荷载计算；
步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型上进行动力响应分析计算。
2.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤5中，在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第n#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0；建立完毕后，将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基，将所有的点、线编号偏移N，为后一个杆塔腾出足够的编号空间；同理建立、旋转、平移第(n-1)#杆塔线框模型，并将所有的点、线编号偏移N，直到将所有杆塔线框模型建立完毕。
3.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤6中的杆塔有限元模型为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180、角钢截面、方向关键点、材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤7的具体内容为：用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米，建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。
5.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤8的具体内容为：依据气象数据，确定10米高度风速，其余高度风速廓线按指数分布公式给出，结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载，
指数分布公式具体为：
其中：V10为标准高度10m处的平均风速；V为Z米高度的风速；α为粗糙度系数。
6.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤9中，雨滴谱采用Marshall-Palmer雨谱，雨滴的水平速度由水平风速驱动，结合动量定理和冲量等效原则计算输电塔的雨荷载；所述Marshall-Palmer雨谱的特征在于降雨过程中雨粒大小和粒数分布符合如下规律：
n(D,I)＝n0exp(-ΛD)，
上式中，各符号的含义：n(D,I)为在雨强为I条件下，雨滴直径为D的雨粒粒数；常数n0＝8×103/(m3·mm)；Λ＝4.1×103/mm。
7.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤5中所述杆塔线框模型的建模过程主要包括：将铁塔分成塔腿、塔身和塔头，分别建模，各模块之间通过公共节点连接；预先建立各级接腿的模型，4个塔腿根据腿长分别调用各级接腿；根据线路转向，确定横担的转角内侧与外侧。
8.根据权利要求2所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤5中所述将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基涉及到旋转量，按下面方法判定：
有相邻三个杆塔ABC，线路方向A->B->C，C在直线AB上的投影为D，沿线路方向在B处有：
(xB-xA)(yC-yD)>0，
线路左转；上述公式中xA、xB、yC、yD分别表示A点在水平面内的X坐标、B点在水平面内的X坐标、C点在水平面内的Y坐标、D四在水平面内的Y坐标；
(xB-xA)(yC-yD)<0，
线路右转；
线路在B处旋转度数大小为∠DBC，规定符号左转为正，右转为负；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型旋转量相当于从2#到(n-1)#塔基处线路旋转量的叠加加上n#处线路旋转量的一半；
n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型平移量为此两塔基的坐标增量。
9.根据权利要求3所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤6中所述方向关键点到坡面的距离比铁塔坡面几何尺寸大3个数量级以上且到坡面的垂直投影点在坡面内，使得角钢比实际位置绕楞线稍有偏转。
10.根据权利要求4所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤7中所述悬链线公式为：
其中，x和z为各导线节点坐标计算值，Q为单位长度导线的自重；H为输电线的水平张力；L为两悬挂点的水平距离；c为两悬挂点的垂直高度差。
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