CN112580231A - 一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，包括：使用建模软件建立待研究的输电杆塔的模型，作为后续仿真分析的模型；根据待研究的输电杆塔所处地理环境确定地貌，获得不同高度的风速值，根据风速值计算得到输电导线与地线的风载荷；根据导线/地线的型号与档距获得重力载荷；将输电杆塔进行分段以进行风载荷的仿真，同时导出完整输电杆塔的xt文件用以力学仿真计算；通过有限元软件，分别获取分段之后每段杆塔在不同风速下的表面风压，再将所获得的表面风压导入应力分析模块，添加重力载荷，固定约束与前面所算得的输电线载荷、绝缘子串载荷，求解计算。本发明能够获得输电杆塔迎风面的各个位置的风压分布，通过仿真来获得风载荷，提高仿真精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，特别是涉及一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法。
背景技术
输电杆塔作为输电线路必不可少的电力设备，其可靠性直接影响电网的稳定运行。我国东南沿海地区夏季受台风影响严重，强风条件下的风载荷对于输电线路的影响是引起导线断股、倒塔、金具磨损的重要原因之一。例如，某地发生风致倒塔事故，一次倒塌8基；某地发生风致倒塔事故，一次性串倒10基；某地强台风登陆，造成35kV及以上输电线路倒塔18基。因此，利用输电杆塔在强风下的力学特性仿真，能够有效找出输电杆塔的力学薄弱环节，为输电杆塔的设计及加固提供理论指导。
目前，输电杆塔的力学仿真主要采取的是将载荷直接加在模型上，风载荷的计算由以下公式获得：
导线及地线的水平风载荷标准值和基准风压标准值计算式为：
Wx＝α·W0·μz·μsc·βc·d·Lp·B·sin2θ (1)
W0＝V2/1600 (2)
Wx为垂直于导线及地线方向的水平风载荷(kN)；
α为风压不均匀系数，应根据设计基本风速确定；
W0为基准风压标准值；
μz为风压高度变化系数；
μsc为导线或地线的体型系数：线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取μsc＝1.2；线径大于或等于17mm，μsc取1.1；
βc为500kV和750kV线路导线及地线风载荷调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风荷载(不含导线及地线张力弧垂计算和风偏角计算)
d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径的总和(m)；
LP为杆塔水平档距(m)；
B为覆冰时风载荷增大系数，5mm冰区取1.1,10mm冰区取1.2；
θ为风向与导线或地线方向之间的夹角(度)。
V为基准高度为10m的风速(m/s)。
输电杆塔风载荷的标准值计算式为：
Ws＝W0·μz·μs·βz·B·As (3)
Ws为杆塔风载荷标准值(kN)；
μs为构件体型系数；
As为承受风压的投影面积计算值(m2)；
βz为杆塔风荷载调整系数。
绝缘子串风荷载的标准值计算式为：
Wl＝W0·μz·B·Al (4)
Wl为绝缘子串风荷载标准值(kN)；
Al为绝缘子串承受风压面积计算值(m2)。
该方法在仿真输电杆塔力学特性时存在以下缺点：1)杆塔种类繁多，塔头种类、型号繁多，构架形体系数μs难以确定。2)计算出的载荷仅仅加载输电杆塔的某一位置，而实际情况是输电杆塔在强风作用下迎风侧每个构件都承受风载荷。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，能够获得输电杆塔迎风面的各个位置的风压分布，通过仿真来获得风载荷，提高仿真精度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，包括：
使用建模软件建立待研究的输电杆塔的模型，作为后续仿真分析的模型；
根据待研究的输电杆塔所处地理环境确定地貌，获得不同高度的风速值，根据风速值计算得到输电导线与地线的风载荷、绝缘子串载荷；根据导线/地线的型号与档距获得重力载荷；
将输电杆塔进行分段以进行风载荷的仿真，同时导出完整输电杆塔的xt文件用以力学仿真计算；
通过有限元软件，分别获取分段之后每段杆塔在不同风速下的表面风压，再将所获得的表面风压导入应力分析模块，添加重力载荷，固定约束与计算得到的输电导线与地线的风载荷、绝缘子串载荷，求解计算得到输电杆塔在强风下的力学特性。
优选地，根据待研究的输电杆塔所处地理环境确定地貌，确定该地区属于A、B、C、D何种地貌，其中：
A类指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋稀疏的乡镇和城市郊区；
C类指有密集建筑群的城市市区；
D类指有密集建筑群且房屋高的城市市区。
优选地，获得不同高度的风速是通过不同地貌的风速随高度变化的公式获得。
优选地，计算时，若待研究的输电杆塔为直线塔则不考虑导线的拉力，若待研究的输电杆塔为耐张塔则考虑导线的拉力。
优选地，将输电杆塔进行分段即将装配好的杆塔模型进行分段导出xt格式文件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可以获得输电杆塔迎风面的各个位置的风压分布。
2、本发明通过将输电杆塔分段处理，解决了建模软件与仿真软件之间可能存在的不匹配问题，例如建模软件装配时认为两个结构之间的距离为0，但是仿真软件却认为两个结构之间存在及其微小的缝隙，而不能建立空气域，从而导致仿真失败。减少了因此类问题而增加的工作量，在误差精度允许的范围内大大提高了仿真效率。
3、本发明不需要根据杆塔每段结构的不同而确定构架形体系数，仅通过仿真来获得风载荷，提高了仿真精度。
附图说明
图1为本发明实例的开关柜内关键点位的接触电阻预测方法流程示意图；
图2为输电杆塔每段迎风面的压力分布情况图；其中，(a)～(i)分别代表1段到9段的压力分布情况；
图3为输电杆塔顶部的压力分布情况图；其中，(a)为侧面；(b)为背风面；
图4为输电杆塔总变形结果图；
图5为输电杆塔整体应力分布云图；
图6为塔腿与塔身应力分布结果图；其中，(a)～(d)分别为1段到4段。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明实现输电杆塔在强风下力学特性仿真的技术方案如下：
A、使用建模软件建立所要研究的输电杆塔的模型，作为后续仿真分析的模型。
B、根据输电杆塔所处地理环境，确定该地区属于A、B、C、D哪种地貌，
其中：
A类指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋稀疏的乡镇和城市郊区；
C类指有密集建筑群的城市市区；
D类指有密集建筑群且房屋高的城市市区。
再根据不同地貌的风速随高度变化的公式以获得不同高度的风速。根据式(1)获得输电导线与地线的风载荷；根据导线/地线的型号与档距获得重力载荷。若杆塔为直线塔则不需要考虑导线的拉力，若为耐张塔在需要考虑导线的拉力。
C、将输电杆塔进行分段(及将装配好的杆塔模型按照所需来进行分段导出xt格式文件)以进行风载荷的仿真，同时导出完整杆塔的xt文件，用以力学仿真计算。
D、通过有限元软件，分别获取分段之后每段杆塔在不同风速下的表面风压，再将所获得的风压导入应力分析模块，添加重力载荷，固定约束与前面所算得的输电线载荷、绝缘子串载荷，求解计算。
下面以具体的实施例说明本发明的优势，参加图1，实现输电杆塔在强风下力学特性仿真需以下步骤：
步骤S1：根据输电杆塔所处地貌，获得随高度变化的风速值，此值作为计算风载荷时流体场的边界条件。根据导线的高度，型号，档距等参数，获得输电线载荷。根据绝缘子串的高度，型号等参数，获得绝缘子串载荷(通常情况下，相比输电线载荷，绝缘子串载荷非常小，可以忽略)。
步骤S2：使用UG软件对待研究杆塔进行3D建模。对于杆塔主要结构，如主材、斜材、辅助材等按照1:1建模，螺栓、金具、绝缘子串等则可以忽略。
步骤S3：将UG软件所建立模型分段导出，可以但不限于按照杆塔的主材型号来分段，将每段模型导入ANSYS workbench中CFX进行气流场计算。首先建立空气域，将杆塔结构与建立空气域过程中多形成的部分直接抑制，对空气域划分网格、设置边界条件，对湍流模型选取RNG k-ε、流体材料选取理想空气(Air Ideal Gas)，之后进行求解。
步骤S4：将UG软件建立的模型完整导出，再将模型导入ANSYS workbench中StaticStructural，在Engineering Data添加杆塔的材料属性，如密度，弹性模量，泊松比等。对模型进行网格划分，分段导入步骤S3计算所得的每段杆塔的风压，对杆塔挂线点添加步骤S1计算所得的输电线载荷与绝缘子串载荷，添加杆塔的重力载荷。最后进行计算。
本发明选择现有方法和本发明的方法进行对比说明：
文献[1-3]建立三基塔两回线塔——线耦联体系有限元模型，将风载荷作为集中应力施加在杆塔的部分位置。
文献[4-7]建立梁-桁混合模型，将风载荷、输电线载荷作为集中应力施加在杆塔的部分位置。
DL/T 5092-1999,110～500kV架空送电线路设计技术规程[S]中将风载荷也作为计算之后的集中载荷。
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[3]贺博,修娅萍,赵恒,等.强台风下高压输电线路塔—线耦联体系的力学行为仿真分析三:动静力响应对比[J].高压电器,2016,52(04):48-53.
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本发明的方法优势在于可以适用于各种不同的风速条件下，不同杆塔形状的情况下获得各个位置的风载荷分布情况，具体仿真结果如下：
参见图2，图2为输电杆塔每段迎风面的压力分布，可以看出，随着高度的增加，输入风速增加，输电杆塔每段压力成上升趋势。
输电杆塔顶部侧面与背风面的压力分布如图3所示。可以看出，从迎风面到侧面再到背风面，压力呈先减小在增大的趋势，最大正压在迎风面，为1188Pa；最大负压在背风面，为-1433Pa。
将风载荷、重力载荷、输电线载荷和固定约束施加在输电杆塔上，输电杆塔的总变形如图4所示，由于底部固定，输电杆塔的最大总变形发生在塔头。
输电杆塔整体应力分布云图如图5所示，从图中可以看出，输电杆塔的最大应力发生横担挂线点处。顶部横担挂线处的应力超过Q345钢的屈服强度，可以通过更换角钢型号，换用横截面积更大的角钢来进行加固。
塔腿与塔身的局部应力分布如图6所示。从图6中可以看出，在塔腿与塔身中，最大应力在塔腿位置。以上仿真结果符合文献[2]所述的铁塔最大应力发生在塔腿附近主材与横担挂线点处这一结论。
综上所述，本发明提供的输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，包括步骤：建立输电杆塔主要结构的三维模型；分析地貌环境获取不同高度的风速；分析导线型号、高度、档距等获得输电线载荷；分析绝缘子串型号、高度等获得绝缘子串载荷；利用CFX按照高度分段分析杆塔各部分所受风载荷；将风载荷导入力学分析模块，将输电线载荷、绝缘子串载荷施加在挂线点，添加固定约束与重力；最后求解分析。该方法可以获得杆塔各处的风载荷，提高了仿真精度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，其特征在于，包括：
使用建模软件建立待研究的输电杆塔的模型，作为后续仿真分析的模型；
根据待研究的输电杆塔所处地理环境确定地貌，获得不同高度的风速值，根据风速值计算得到输电导线与地线的风载荷、绝缘子串载荷；根据导线/地线的型号与档距获得重力载荷；
将输电杆塔进行分段以进行风载荷的仿真，同时导出完整输电杆塔的xt文件用以力学仿真计算；
通过有限元软件，分别获取分段之后每段杆塔在不同风速下的表面风压，再将所获得的表面风压导入应力分析模块，添加重力载荷，固定约束与计算得到的输电导线与地线的风载荷、绝缘子串载荷，求解计算得到输电杆塔在强风下的力学特性。
2.根据权利要求1所述的输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，其特征在于，根据待研究的输电杆塔所处地理环境确定地貌，确定该地区属于A、B、C、D何种地貌，其中：
A类指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋稀疏的乡镇和城市郊区；
C类指有密集建筑群的城市市区；
D类指有密集建筑群且房屋高的城市市区。
3.根据权利要求1所述的输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，其特征在于，获得不同高度的风速是通过不同地貌的风速随高度变化的公式获得。
4.根据权利要求1所述的输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，其特征在于，计算时，若待研究的输电杆塔为直线塔则不考虑导线的拉力，若待研究的输电杆塔为耐张塔则考虑导线的拉力。
5.根据权利要求1所述的输电杆塔在强风下力学特性仿真方法，其特征在于，将输电杆塔进行分段即将装配好的杆塔模型进行分段导出xt格式文件。
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