CN115659756A - 一种输电杆塔防风性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电杆塔防风性能分析方法，包括以下步骤：S1、建立输电杆塔有限元模型，根据输电杆塔所处不同风荷载工况在ANSYS中选取不同的单元、不同的分析模块，对模型进行自动网络划分，添加边界约束约束；S2、进行模态分析，通过模态分析得到输电杆塔的各阶固有频率和振型；S3、计算风荷载，模拟不同风载随时间变化曲线，结合应力分布云图和位移分布云图，分析风荷载下输电杆塔应力及变形情况。本发明方法能够得出风荷载下输电杆塔静动力学响应特征，进而为后续工程输电杆塔的结构设计提供指导性建议。

Description

一种输电杆塔防风性能分析方法

技术领域

本发明属于电力设备性能分析领域，具体涉及一种输电杆塔防风性能分析方法。

背景技术

输电杆塔暴露于室外，受力情况复杂，常因外力损坏、设备老化、安装工艺不合理等原因发生倾斜倒塌事故，对人身、环境和设备造成危害。对于输电杆塔所受到的所有外界环境载荷中，风是影响其安全的一个重要因素，输电线路整体结构会承受巨大的外部荷载，铁塔以及导地线等薄弱之处可能发生屈服、断裂等，严重时会发生倒塔、断线现象。现有研究关于输电线路铁塔荷载数值模型的建立方法，从早期的单塔模型，到现在的塔-线耦合模型，模型与实际的契合度不断增强；从开始的静力荷载，到现在可在matlab软件中模拟脉动风，通过前人的不断努力，可在计算机上对输电线路施加更加真实的荷载。关于输电线路抗风加固措施的研究主要包括：基础的加固、塔身主材的加固以及节点加固。

由于台风对输电线路影响巨大，这些年来对于输电线路抗风领域的研究已经不断深入，但是现有研究，仍存在不足并有可改进之处。多数学者现在对输电抗风的研究都集中在数值模型的建立与分析上，并以此为基础得出各种结论，这些结论在实际情况下是否成立，成立条件如何尚有待检验。风荷载的计算，输电塔承载力的得出都是基于设计规范，但是现有设计规范是经过不断修订改编而来，现有加固方法对于运用原设计规范的输电线路是否适用尚不可知。因此，全面了解和掌握输电杆塔在大风和微风工况下的力学特征，对于提高电网运行的安全性有重要的理论和工程意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种输电杆塔防风性能分析方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种输电杆塔防风性能分析方法，包括以下步骤：

S1、建立输电杆塔有限元模型，根据输电杆塔所处不同风荷载工况在ANSYS中选取不同的单元、不同的分析模块，对模型进行自动网络划分，添加边界约束；

S2、进行模态分析，通过模态分析得到输电杆塔的各阶固有频率和振型；

S3、计算风荷载，模拟不同风载随时间变化曲线，结合应力分布云图和位移分布云图，分析风荷载下输电杆塔应力及变形情况。

进一步的，步骤S1中，分析模块的选取具体为：

首先要根据风荷载的不同选择合适的分析模块，并根据各工况下受外力作用和输出数据的区别，对不同的部件定义合适的单元类型；

对于风荷载下单元类型的选取，由于是非热力学模拟分析，选取solid187模拟输电杆塔杆件，在三维情况下，接触面通过不同单元形状来描述，由targe170模拟。

进一步的，对于输电杆塔有限元分析模块的选取，采用线性静态结构分析模块，该模块在计算中忽略结构惯性和阻尼的作用，分析在固定不变的载荷作用下结构的应力与变形规律，模拟输电杆塔稳定风工况。

进一步的，采用瞬态动力学分析模块，用于模拟结构受随时间变化的载荷作用下的动力学响应特征，即模拟输电杆塔阵风、脉动风、微风工况。

进一步的，在进行有限元建模和模拟分析时，进行单位统一，具体为：

由于ANSYS采用国际单位制，长度单位mm，质量单位为kg，力的单位为N，时间单位为s，因此为保证单位的统一，弹性模量单位为N/m²，面积单位为m²，密度单位为kg*m^-3，加速度单位为m*s^-2。

进一步的，建立输电杆塔有限元模型具体为：

根据输电线路设计规范，基于杆塔设计值在ANSYS软件中搭建杆塔物理模型，并设置塔材力学参数为其设计值，包括截面形状，截面尺寸以及弹性模量，建立输电杆塔模型，在网格划分时运用ANSYS自动网格设置划分网格。

进一步的，步骤S2具体为：

对于一个具有n个自由度的线性结构体系，其一般振动方程为：

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，

和U分别为加速度向量、速度向量以及位移向量，F(t)为动载荷向量，动载荷F(t)在实际工程中的主要表现为周期载荷、冲击载荷、随机载荷；

当有限元软件对结构进行动力学分析时，其中的模态分析中F(t)＝0，在进行模态分析时，由于其结构阻尼对模态分析影响小，忽略结构阻尼对固有频率和振型的影响，则振动方程为：

解得：([k]-ω²[M]){U(i)}＝0，i＝1、2、…、n；

得到n个向量方程，由此求出n个主振型向量{U(1)}、{U(2)}、…、{U(n)}；

对输电杆塔结构进行模态分析，将该模型转化为一个线性的定常系统，将其振动的微分方程中的物理坐标进行变换，转换为模态坐标，然后由模态坐标和模态参数组成一个新的独立方程，对其模态参数值进行求解；施加结构的边界条件时，只能添加零位移约束，所有的非零位移约束也会自动转换为零位移约束；分析系统模态时，必须最终得到系统的振型及对应的固有频率；

对输电杆塔基础施加零位移约束，并采用Block Lanczos对其进行模态提取，分析输电杆塔在风荷载下共振情况。

进一步的，步骤S3中，计算风荷载具体为：

根据公式w_k＝β_zμ_sμ_zw₀计算输电杆塔风荷载标准值；

其中，w_k是风荷载标准值，β_z是高度z处的风振系数，μ_s是风荷载体形系数，μ_z是风压高度变化系数，w₀是基本风压。

进一步的，步骤S3中，模拟的风载包括稳定风、阵风和脉动风；

设置风载总作用时间为12s，分为12步，每一步设置三个子步；

稳定风风载一直保持0.405kN/m²；阵风风载从0s逐渐增大，在第4s达到0.405kN/m²并保持到第8s，之后风载逐渐减小；脉动风分为6个周期，每个周期前1s风载由0增大至0.405kN/m²，后1s风载逐渐减小至0；

风速与风载的关系满足公式

其中，v代表风速，w₀为风压。

进一步的，步骤S3中，得出应力及位移变化规律具体为：

设置10到45m/s的不同风速梯度，将稳定风压施加于结构表面，方向为-X；分析大风工况模拟结果，对于不同风速和不同风载，均在输电杆塔应力分布云图和位移分布云图找出出现应力集中现象的位置，记录最大应力和位移数值，与材料允许最大应力和位移数值比较，分析运行是否安全可靠；同时分析应力和位移在输电杆塔分布规律并得出不同风速和不同风载对应力和位移的影响规律。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明从微风和大风两方面来综合考虑输电杆塔性能，全面考察设备运行过程中输电杆塔的静动力学响应特征，有效提高输电杆塔的防风能力。

2、由于输电杆塔结构复杂，规模较大，模型制作比较困难，且模型试验条件和实际周边条件也有很大差异，限制了试验结果的准确性和可靠性，本方法利用有限元仿真分析，使得模型结构尽可能的完全体现，计算结果更加精确。

3、本发明方法首先进行具体建模、网格划分并对其进行模态分析，可得出模型自振频率，并根据风场数据，分析出杆塔结构的自振频率和风致振动频率的关系。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明，一种输电杆塔防风性能分析方法，包括以下步骤：

S1、建立输电杆塔有限元模型，根据输电杆塔所处不同风荷载工况在ANSYS中选取不同的单元、不同的分析模块，对模型进行自动网络划分，添加边界约束；

在本实施例中，建立输电杆塔有限元模型具体为：

根据输电线路设计规范，基于杆塔设计值在ANSYS软件中搭建杆塔物理模型，并设置塔材力学参数为其设计值，包括截面形状，截面尺寸以及弹性模量等，建立输电杆塔模型；

在网格划分时运用ANSYS自动网格设置划分网格。

在本实施例中，分析模块的选取具体为：

首先要根据风荷载的不同选择合适的分析模块，并根据各工况下受外力作用和输出数据的区别，对不同的部件定义合适的单元类型；

对于风荷载下单元类型的选取，由于是非热力学模拟分析，选取solid187模拟输电杆塔杆件，在三维情况下，接触面通过不同单元形状来描述，由targe170模拟。

对于输电杆塔有限元分析模块的选取，采用线性静态结构分析模块，该模块在计算中忽略结构惯性和阻尼的作用，可分析在固定不变的载荷作用下结构的应力与变形规律，即可模拟输电杆塔稳定风工况。

采用瞬态动力学分析模块，用于模拟结构受随时间变化的载荷作用下的动力学响应特征，即模拟输电杆塔阵风、脉动风、微风工况。

由于ANSYS采用国际单位制，长度单位mm，质量单位为kg，力的单位为N，时间单位为s，因此为保证单位的统一，弹性模量单位为N/m2，面积单位为m2，密度单位为kg*m-3，加速度单位为m*s-2。

利用ANSYS软件建立输电杆塔模型，在网格划分时运用mesh control里面的refine命令对应力集中的部位进行网格细化，保证关键分析位置的模拟精度。S2、进行模态分析，通过模态分析得到输电杆塔的各阶固有频率和振型；

每一个结构都有其模态特性，这是结构固有的，不同的模态包括了不同的模态固有频率、模态振型和阻尼比等。使用模态分析来研究输电杆塔结构的自振性能，也是分析结构共振情况，进行动力计算的内容之一。通过固有频率可以知道结构的刚度特点，能够体现出结构在刚度和质量上的协调性和匹配情况，对于结构的动力响应大小有直接影响。不同的模态对应不同阶的固有频率，这些频率会直接决定该振型的动力参与系数大小。分析结构振型即得到不同部位的刚度情况，可以帮助进行后续的结构优化设计。

在本实施例中，步骤S2具体为：

对于一个具有n个自由度的线性结构体系，其一般振动方程为：

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，

和U分别为加速度向量、速度向量以及位移向量，F(t)为动载荷向量，F(t)在实际工程中的主要表现为周期载荷、冲击载荷、随机载荷；

当有限元软件对结构进行动力学分析时，其中的模态分析中F(t)＝0，在进行模态分析时，由于其结构阻尼对模态分析影响较小，忽略结构阻尼对固有频率和振型的影响，则振动方程为：

解得：([k]-ω²[M]){U(i)}＝0，i＝1、2、…、n；

得到n个向量方程，由此求出n个主振型向量{U(1)}、{U(2)}、…、{U(n)}；

对输电杆塔结构进行模态分析，将该模型转化为一个线性的定常系统，将其振动的微分方程中的物理坐标进行变换，转换为模态坐标，然后由模态坐标和模态参数组成一个新的独立方程，对其模态参数值进行求解；施加结构的边界条件时，只能添加零位移约束，所有的非零位移约束也会自动转换为零位移约束；分析系统模态时，必须最终得到系统的振型及对应的固有频率；

对输电杆塔基础施加零位移约束，并采用Block Lanczos对其进行模态提取，分析输电杆塔在风荷载下共振情况。

S3、计算风荷载，模拟不同风载随时间变化曲线，结合应力分布云图和位移分布云图，分析风荷载下输电杆塔应力及变形情况。在本实施例中，步骤S3中，计算风荷载具体为：

根据公式w_k＝β_zμ_sμ_zw₀计算输电杆塔风荷载标准值；

其中，w_k是风荷载标准值，β_z是高度z处的风振系数，μ_s是风荷载体形系数，μ_z是风压高度变化系数，w₀是基本风压，本实施例中基本风压采用《建筑结构荷载规范》给出的50年一遇的风压值。

模拟的风载包括稳定风、阵风和脉动风；

设置风载总作用时间为12s，分为12步，每一步设置三个子步；

稳定风风载一直保持0.405kN/m²；阵风风载从0s逐渐增大，在第4s达到0.405kN/m²并保持到第8s，之后风载逐渐减小；脉动风分为6个周期，每个周期前1s风载由0增大至0.405kN/m²，后1s风载逐渐减小至0；

风速与风载的关系满足公式

其中，v代表风速，w₀为风压。

设置10到45m/s的不同风速梯度，将稳定风压施加于结构表面，方向为-X；分析大风工况模拟结果，对于不同风速和不同风载，均在输电杆塔应力分布云图和位移分布云图找出出现应力集中现象的位置，记录最大应力和位移数值，与材料允许最大应力和位移数值比较，分析运行是否安全可靠；同时分析应力和位移在输电杆塔分布规律并得出不同风速和不同风载对应力和位移的影响规律。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立输电杆塔有限元模型，根据输电杆塔所处不同风荷载工况在ANSYS中选取不同的单元、不同的分析模块，对模型进行自动网络划分，添加边界约束；

S2、进行模态分析，通过模态分析得到输电杆塔的各阶固有频率和振型；

S3、计算风荷载，模拟不同风载随时间变化曲线，结合应力分布云图和位移分布云图，分析风荷载下输电杆塔应力及变形情况。

2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，步骤S1中，分析模块的选取具体为：

首先要根据风荷载的不同选择合适的分析模块，并根据各工况下受外力作用和输出数据的区别，对不同的部件定义合适的单元类型；

对于风荷载下单元类型的选取，由于是非热力学模拟分析，选取solid187模拟输电杆塔杆件，在三维情况下，接触面通过不同单元形状来描述，由targe170模拟。

3.根据权利要求2所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，对于输电杆塔有限元分析模块的选取，采用线性静态结构分析模块，该模块在计算中忽略结构惯性和阻尼的作用，分析在固定不变的载荷作用下结构的应力与变形规律，模拟输电杆塔稳定风工况。

4.根据权利要求3所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，采用瞬态动力学分析模块，用于模拟结构受随时间变化的载荷作用下的动力学响应特征，即模拟输电杆塔阵风、脉动风、微风工况。

5.根据权利要求1所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，在进行有限元建模和模拟分析时，进行单位统一，具体为：

由于ANSYS采用国际单位制，长度单位mm，质量单位为kg，力的单位为N，时间单位为s，因此为保证单位的统一，弹性模量单位为N/m²，面积单位为m²，密度单位为kg*m^-3，加速度单位为m*s^-2。

6.根据权利要求5所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，建立输电杆塔有限元模型具体为：

根据输电线路设计规范，基于杆塔设计值在ANSYS软件中搭建杆塔物理模型，并设置塔材力学参数为其设计值，包括截面形状，截面尺寸以及弹性模量，建立输电杆塔模型，在网格划分时运用ANSYS自动网格设置划分网格。

7.根据权利要求1所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，步骤S2具体为：

对于一个具有n个自由度的线性结构体系，其一般振动方程为：

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，

和U分别为加速度向量、速度向量以及位移向量，F(t)为动载荷向量，动载荷F(t)在实际工程中的主要表现为周期载荷、冲击载荷、随机载荷；

当有限元软件对结构进行动力学分析时，其中的模态分析中F(t)＝0，在进行模态分析时，由于其结构阻尼对模态分析影响小，忽略结构阻尼对固有频率和振型的影响，则振动方程为：

解得：([k]-ω²[M]){U(i)}＝0，i＝1、2、…、n；

得到n个向量方程，由此求出n个主振型向量{U(1)}、{U(2)}、…、{U(n)}；

对输电杆塔结构进行模态分析，将该模型转化为一个线性的定常系统，将其振动的微分方程中的物理坐标进行变换，转换为模态坐标，然后由模态坐标和模态参数组成一个新的独立方程，对其模态参数值进行求解；施加结构的边界条件时，只能添加零位移约束，所有的非零位移约束也会自动转换为零位移约束；分析系统模态时，必须最终得到系统的振型及对应的固有频率；

对输电杆塔基础施加零位移约束，并采用Block Lanczos对其进行模态提取，分析输电杆塔在风荷载下共振情况。

8.根据权利要求1所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，步骤S3中，计算风荷载具体为：

根据公式w_k＝β_zμ_sμ_zw₀计算输电杆塔风荷载标准值；

其中，w_k是风荷载标准值，β_z是高度z处的风振系数，μ_s是风荷载体形系数，μ_z是风压高度变化系数，w₀是基本风压。

9.根据权利要求8所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，步骤S3中，模拟的风载包括稳定风、阵风和脉动风；

设置风载总作用时间为12s，分为12步，每一步设置三个子步；

稳定风风载一直保持0.405kN/m²；阵风风载从0s逐渐增大，在第4s达到0.405kN/m²并保持到第8s，之后风载逐渐减小；脉动风分为6个周期，每个周期前1s风载由0增大至0.405kN/m²，后1s风载逐渐减小至0；

风速与风载的关系满足公式

其中，v代表风速，w₀为风压。

10.根据权利要求1所述的一种输电杆塔防风性能分析方法，其特征在于，步骤S3中，得出应力及位移变化规律具体为：

设置10到45m/s的不同风速梯度，将稳定风压施加于结构表面，方向为-X；分析大风工况模拟结果，对于不同风速和不同风载，均在输电杆塔应力分布云图和位移分布云图找出出现应力集中现象的位置，记录最大应力和位移数值，与材料允许最大应力和位移数值比较，分析运行是否安全可靠；同时分析应力和位移在输电杆塔分布规律并得出不同风速和不同风载对应力和位移的影响规律。

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