CN114818420B - 输电导线初始构型快速建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电导线初始构型快速建模方法，其包括如下步骤：有限元软件的对应函数读取杆塔的挂点坐标；将绝缘子串修正后的两个导线挂点坐标A、B的间距分解为沿空间x、y、z轴三个方向的分量L_x、L_y、L_z，令向量AB在xoz平面的投影为m，并设定离散的单元数为n；对L_x、L_y、L_z按照单元数进行离散，根据公式确定导线构型。优点：通过引入三维空间坐标，根据空间中已知的两点，能够快速建立两点间的斜抛物线导线模型；不需要先根据参数建模后再进行修改，实现了导线的快速空间建模；然后通过施加预应力场以及重力载荷，从而获得导线在自重作用下的状态，实现找形；操作过程非常简单实用，能够大大提高导线建模效率。

Description

输电导线初始构型快速建模方法

技术领域：

本发明涉及输电线路建模分析技术领域，特别涉及输电导线初始构型快速建模方法。

背景技术：

输电塔线体系建模的有限元分析涉及到输电导线的建模，传统的输电导线建模方法需要根据导线两端的悬挂点，在二维平面中建立由档距、高差、导线比载等参数控制的离散模型，再利用迭代算法确定导线在自重作用下的形状，即找形；但是利用迭代算法构建塔线体系有限元模型时，若相邻的两杆塔的横担长度不一致，各回路间、各相间导线均不等长，还需要重新计算实际的导线档距，及将建模完成的导线通过平移、旋转等方式装配在杆塔上；而且每根导线的参数和空间位置不一样，对所有的导线一根一根进行建模及装配，每根导线因为两侧挂点的相对空间坐标差不一样，所以每根导线都需要找形，装配也需要一根一根的平移、旋转去装配，整个过程十分繁琐，建模效率低。

传统的建模方法，参见期刊文献：《基于ANSYS的架空输电导线找形研究》，张旺海等，电力建设，第33卷第2期，第32-35页，2012年2月；该文献中公开了利用迭代法进行导线找形，在求解并不断更新有限元模型过程中，需要更新有限元模型不断改变导线的几何状态，如果求解后的结果不能满足收敛条件，则继续求解直到满足迭代要求的收敛条件，计算过程繁琐。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种简单实用、无需迭代找形，有利于提高导线建模效率的输电导线初始构型快速建模方法。

本发明由如下技术方案实施：输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：杆塔建模

根据档距和高差结构参数，建立两个以上的杆塔有限元模型；

S2：建立导线挂点集合

根据各杆塔的类型和导线挂点位置信息，在有限元软件中设置对应导线挂点集合，并对集合进行命名，集合名称中包含杆塔类型、绝缘子串类型、导线所在回路及回路对应的相编号；

S3：导线建模

S31：根据线路的具体信息，采用脚本程序读取步骤S2中建立的导线挂点集合的名称，通过有限元软件的对应函数读取杆塔的挂点坐标；

S32：根据杆塔类型和已知的绝缘子串参数，修正导线挂点坐标；

S33：将绝缘子串修正后的两个导线挂点坐标A、B的间距分解为沿空间x、y、z轴三个方向的分量L_x、L_y、L_z，令向量AB在xoz平面的投影为m，并设定离散的单元数为n；

S34：对步骤S33中的L_x、L_y、L_z按照单元数进行离散，并根据下列公式确定导线构型：

其中n为划分的单元数；

第i个结点的坐标为：

x_i＝x₀+idx,z_i＝z₀+idz(i＝0,1,2…n) (3)

cosβ＝cos(m,AB),

其中(x₀，y₀，z₀)是A点的空间坐标，σ₀为导线初始张力，γ为导线自重比载，通过公式(3)和公式(4)即可计算得到每一个结点的坐标，通过顺次连接各结点即可构建斜抛物线导线模型；由此，根据空间中已知的两点，能够快速建立该两点间的斜抛物线导线模型；

S4：金具建模：采用脚本程序创建金具模型；

S5：设置各金具、杆塔和导线的连接关系，其中杆塔与绝缘子串的连接需释放转动自由度，其余均设置为Beam约束；

S6：导线施加预应力和自重载荷，完成塔线体系建模。

进一步地，步骤S31中，脚本程序读取模型中建立的导线挂点集合名称时，通过ABAQUS的python二次开发语言，里面有集合assembly对象的set方法，通过各个集合的名称作为索引，检索出set方法返回值中各个集合代表的几何对象，再利用其vertices方法，以及pointOn方法，获取集合中挂点的坐标信息，得到x，y，z三个方向的空间坐标。

进一步地，步骤S32中，若挂点对应悬垂串，则修改挂点坐标的竖直方向数值，具体为原数值减去悬垂串串长；若挂点对应耐张串，仅需预留出耐张串串长的空间。

进一步地，步骤S4中，所述金具模型包括绝缘子串模型、间隔棒模型、线夹模型。

进一步地，步骤S6中，包括如下步骤：

S61对杆塔以及线路两端的导线施加固定约束的边界条件；

S62通过有限元软件的预定义场，对建立的导线有限元模型施加初始应力，不施加自重；

S63对施加完预应力的导线再施加自重载荷，进行静力计算，即可得到导线在自重作用下的构型。

本发明的优点：与传统迭代找形方法相比，本发明通过引入三维空间坐标，将绝缘子串修正后的两个导线挂点坐标A、B的间距分解为沿空间x、y、z轴三个方向的分量Lx、Ly、Lz，令向量AB在xoz平面的投影为m，并进行离散后计算各结点坐标，如此根据空间中已知的两点，能够快速建立两点间的斜抛物线导线模型；不需要先根据参数建模后再进行修改，取代在二维平面上建模后再进行模型装配的建模方法，实现了导线的快速空间建模；然后通过施加预应力场以及重力载荷，从而获得导线在自重作用下的状态，实现找形；本发明无需迭代找形，只需要建立斜抛物线构型的导线并施加自重载荷与预应力场即可；操作过程非常简单实用，能够大大提高导线建模效率。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为杆塔有限元模型结构示意图；

图2为有限元软件中建立导线挂点集合名称的文本图。

图3为修正后的两个导线挂点坐标的间距分量示意图。

图4为对两个导线挂点坐标的间距分量离散后相邻两结点的空间坐标示意图。

图5为建立的斜抛物线导线模型。

图6为在导线模型基础上建立绝缘子串模型的局部结构示意图。

图7为各金具与杆塔和导线施加约束后的连接结构示意图。

图8为对杆塔以及线路两端的导线施加约束的结构示意图。

图9为导线在自重作用下的构型。

图10为导线有限元模型施加预应力后的Mises应力分布图。

图11为导线有限元模型施加预应力后的位移分布图。

具体实施方式：

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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种输电导线初始构型快速建模方法，其包括如下步骤：

S1：杆塔建模

如图1所示，通过有限元软件建立两个杆塔的有限元模型，再将建立完成的两个杆塔有限元模型按照档距和高差进行装配，本实施例中，杆塔采用杆梁混合单元建模，档距为300m，零高差；

S2：建立导线挂点集合

如图2所示，根据各杆塔的类型和导线挂点位置信息，在有限元软件中设置各导线挂点集合，并对集合进行命名，集合名称中包含杆塔类型、绝缘子串类型、导线所在回路及回路对应的相编号；其中，杆塔的类型有耐张塔和直线塔，对应的绝缘子串类型有悬垂串和耐张串；每个导线挂点对应一个集合名称，集合名称里包含了对应的导线挂点几何对象；

如导线挂点集合名称“SSZ1-I-loop1-phase2-hangpoint”中，“SSZ1”表示杆塔型号，“I”表示绝缘子串选用悬垂串，“loop1”表示为该线路的第一个回路，“phase2”表示为该回路中的第二相，hangpoint代表该名称为挂点集合；若为耐张塔，还需添加其他关键词缀区分耐张塔的前后两档导线挂点，如“Pre”、“Lat”；

为了便于编写脚本程序完成自动化建模，在ABAQUS有限元软件中，通过集合的方式对挂点命名，更利于脚本程序的编写。

S3：导线建模

S31：根据线路的具体信息，具体信息包括杆塔的类型、绝缘子串类型、回路数、相数；采用脚本程序读取步骤S2中建立的导线挂点集合名称，通过有限元软件的对应函数读取杆塔的挂点坐标；

具体的，脚本程序读取模型中建立的导线挂点集合名称时，通过ABAQUS的python二次开发语言，里面有集合assembly对象的set方法，通过各个集合的名称作为索引，检索出set方法返回值中各个集合代表的几何对象，再利用其vertices方法，以及pointOn方法，获取集合中挂点的坐标信息，得到x，y，z三个方向的空间坐标。

S32：根据杆塔类型和已知的绝缘子串参数，修正导线挂点坐标；

若挂点对应悬垂串，则修改挂点坐标的竖直方向数值，具体为原数值减去悬垂串串长；若挂点对应耐张串，仅需预留出耐张串串长的空间，在后续建模中释放耐张串与杆塔、导线的旋转自由度，即可实现耐张串的建模；

S33：如图3所示，将绝缘子串修正后的两个导线挂点坐标A、B的间距分解为沿空间x、y、z轴三个方向的分量L_x、L_y、L_z，令向量AB在xoz平面的投影为m，并设定离散的单元数为n；

S34：如图4所示，对步骤S33中的L_x、L_y、L_z按照单元数进行离散，并根据下列公式确定导线构型：

其中n为划分的单元数；

第i个结点的坐标为：

x_i＝x₀+idx,z_i＝z₀+idz(i＝0,1,2…n) (3)

cosβ＝cos(m,AB),

其中(x₀，y₀，z₀)是A点的空间坐标，σ₀为导线初始张力，γ为导线自重比载，通过公式(3)和公式(4)即可计算得到每一个结点的坐标，通过顺次连接各结点即可构建斜抛物线导线模型；由此，根据空间中已知的A、B两点，能够快速建立A、B两点间的斜抛物线导线模型；如图5所示；

S4：如图6所示，采用脚本程序创建金具模型，金具模型包括绝缘子串模型，绝缘子串采用梁单元建模，如果是分裂导线，还需创建间隔棒、线夹等模型；

S5：如图7所示，设置各金具、杆塔和导线的连接关系，其中杆塔与绝缘子串的连接需释放转动自由度，其余均设置为Beam约束；

S6：导线施加预应力和自重载荷

S61：如图8所示，对杆塔以及线路两端的导线施加固定约束的边界条件；

S62：通过有限元软件的预定义场，对建立的导线有限元模型施加初始应力，初始应力值由具体型号导线的应力弧垂表，配合档距等参数确定；本实施例中，施加的初始应力为57.9MPa，导线型号为JL/G1A-400/35，不施加自重；

初始应力的施加方法为：在ABAQUS有限元软件中选择Load模块中的预应力场，选择Stress应力类型，在sigma11中填写应力值，该值即为导线的初始应力值；或通过修改ABAQUS的inp文件，对导线建立几何集合，通过语句：

*initial conditions,type＝stress,unbalanced stress＝step

Set-stress,24621.4

对名为“Set-stress”的集合施加初始张力，大小为24621.4牛顿，该初始张力值为初始应力值*导线等效截面积；

S63：如图9所示，对施加完预应力的导线再施加自重载荷，进行静力计算，即可得到导线在自重作用下的构型，完成塔线体系建模；具体的，在ABAQUS的Load模块，添加Load，选择重力类型，施加-9.8m/s²的重力加速度，完成重力载荷的施加。

结果如图10和图11所示，在有限元软件中计算得到的有限元模型Mises应力分布与位移分布；导线在预定义初始应力和重力的作用下，导线应力为57.9Mpa左右，即最小应力值为57.88Mpa，最大应力值为58.07Mpa；而且导线的位移仅有0-2mm，证明导线构型基本保持不变，验证了本发明导线建模方法的正确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：杆塔建模

根据档距和高差结构参数，建立两个以上的杆塔有限元模型；

S2：建立导线挂点集合

根据各杆塔的类型和导线挂点位置信息，在有限元软件中设置对应导线挂点集合，并对集合进行命名，集合名称中包含杆塔类型、绝缘子串类型、导线所在回路及回路对应的相编号；

S3：导线建模

S31：根据线路的具体信息，采用脚本程序读取步骤S2中建立的导线挂点集合的名称，通过有限元软件的对应函数读取杆塔的挂点坐标；

S32：根据杆塔类型和已知的绝缘子串参数，修正导线挂点坐标；

S33：将绝缘子串修正后的两个导线挂点坐标A、B的间距分解为沿空间x、y、z轴三个方向的分量L_x、L_y、L_z，令向量AB在xoz平面的投影为m，并设定离散的单元数为n；

S34：对步骤S33中的L_x、L_y、L_z按照单元数进行离散，并根据下列公式确定导线构型：

其中n为划分的单元数；

第i个结点的坐标为：

x_i＝x₀+idx,z_i＝z₀+idz(i＝0,1,2…n) (3)

cosβ＝cos(m,AB),

其中(x₀，y₀，z₀)是A点的空间坐标，σ₀为导线初始张力，γ为导线自重比载，通过公式(3)和公式(4)即可计算得到每一个结点的坐标，通过顺次连接各结点即可构建斜抛物线导线模型；由此，根据空间中已知的两点，能够快速建立该两点间的斜抛物线导线模型；

S4：金具建模：采用脚本程序创建金具模型；

S5：设置各金具、杆塔和导线的连接关系，其中杆塔与绝缘子串的连接需释放转动自由度，其余均设置为Beam约束；

S6：导线施加预应力和自重载荷，完成塔线体系建模。

2.根据权利要求1所述的输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，步骤S31中，脚本程序读取模型中建立的导线挂点集合名称时，通过ABAQUS的python二次开发语言，里面有集合assembly对象的set方法，通过各个集合的名称作为索引，检索出set方法返回值中各个集合代表的几何对象，再利用其vertices方法，以及pointOn方法，获取集合中挂点的坐标信息，得到x，y，z三个方向的空间坐标。

3.根据权利要求1所述的输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，步骤S32中，若挂点对应悬垂串，则修改挂点坐标的竖直方向数值，具体为原数值减去悬垂串串长；若挂点对应耐张串，仅需预留出耐张串串长的空间。

4.根据权利要求1所述的输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，步骤S4中，所述金具模型包括绝缘子串模型、间隔棒模型、线夹模型。

5.根据权利要求1所述的输电导线初始构型快速建模方法，其特征在于，步骤S6中，包括如下步骤：

S61对杆塔以及线路两端的导线施加固定约束的边界条件；

S62通过有限元软件的预定义场，对建立的导线有限元模型施加初始应力，不施加自重；

S63对施加完预应力的导线再施加自重载荷，进行静力计算，即可得到导线在自重作用下的构型。