CN117131741A - 一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法及系统，包括以下步骤：建立试验子结构以及数值子结构；在有限元软件中输入风荷载时程以及试验子结构的初始参数，计算数值子结构的第一步动力方程；基于第一步动力方程，获得试验子结构的第一步目标位移；基于第一步目标位移，加载试验子结构，并获得试验子结构的反力；将反力反馈给数值子结构，并结合风荷载时程，计算下一步动力方程；基于下一步动力方程，获得下一步目标位移；基于下一步目标位移，判断风荷载时程是否输入完毕。证明了输电塔实时子结构混合试验方法在研究输电塔减振控制方面的有效性。
Description
技术领域
本发明属于输电塔抗风振动控制技术领域，具体涉及一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法及系统。
背景技术
输电塔是重要的生命线工程，其震动破坏损失巨大，其中风振相比于地震灾害破坏更为频繁，影响范围更为广泛。而输电塔(或塔线体系)本身有着高耸、大跨越、低阻尼的结构特性，其对于风荷载的敏感程度远大于地震荷载。
随着减振控制技术的发展，许多学者将调谐质量阻尼器，记忆合金阻尼器，防屈曲支撑，摩擦耗能构件等减振控制技术应用于输电塔上。通常的研究方法，如风洞试验和数值模拟等，存在着试验模型缩尺比过小，试验费用较高以及部分构件模拟结果失真等问题。
子结构混合试验方法则通过分别构建研究对象的数值子结构和试验子结构，确保试验的实时性以及准确性，可以有效解决上述问题，是研究大型结构动力响应最有的效方法之一。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法及系统，证明了输电塔实时子结构混合试验方法在研究输电塔减振控制方面的有效性，为输电塔的减振控制提供了一种新的思路和方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法，包括以下步骤：
S1：建立试验子结构，并基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；
S2：在有限元软件中输入风荷载时程以及所述试验子结构的初始参数，计算所述数值子结构的第一步动力方程；
S3：基于所述第一步动力方程，获得所述试验子结构的第一步目标位移；
S4：基于所述第一步目标位移，加载所述试验子结构，并获得所述试验子结构的反力；
S5：将所述反力反馈给所述数值子结构，并结合所述风荷载时程，计算下一步动力方程；基于所述下一步动力方程，获得下一步目标位移；
S6：基于所述下一步目标位移，判断所述风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回步骤S4；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
优选的，在所述有限元软件中使用弹性梁柱单元或试验梁柱单元；
在使用所述弹性梁柱单元时，需要输入的所述初始参数包括弹性模量、剪切模量、截面面积、转动惯量、y轴惯性矩以及z轴惯性矩；
在使用所述试验梁柱单元时，需要输入的所述初始参数包括初始刚度矩阵。
优选的，所述试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，计算调谐质量阻尼器所需质量的方法为：
在预设伸长量附近，测得弹簧刚度；
利用所述有限元软件对输电塔进行模态分析，获得模态分析结果；
基于所述模态分析结果以及所述弹簧刚度，获得所述调谐质量阻尼器所需质量。
本发明还提供一种输电塔子结构抗风实时混合实验系统，包括：子结构建立模块、第一计算模块、加载模块、第二计算模块以及循环模块；
所述子结构建立模块，用于建立试验子结构，并在有限元软件中，基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；
所述第一计算模块，用于在有限元软件中输入风荷载时程以及所述试验子结构的初始参数，计算所述数值子结构的第一步动力方程；基于所述第一步动力方程，获得所述试验子结构的第一步目标位移；
所述加载模块，用于基于所述第一步目标位移，加载所述试验子结构，并获得所述试验子结构的反力；
所述第二计算模块，用于将所述反力反馈给所述数值子结构，并结合所述风荷载时程，计算下一步动力方程；基于所述下一步动力方程，获得下一步目标位移；
所述循环模块，用于基于所述下一步目标位移，判断所述风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回加载模块；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
优选的，还包括通信模块，用于进行所述第一计算模块与所述加载模块的连接和通信。
优选的，所述试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，所述调谐质量阻尼器子结构基于单自由度质量点试验子结构以及弹簧系统设计。
优选的，所述单自由度质量点试验子结构质量为150kg，与所述加载模块用螺栓连接，利用滑轮和轨道对所述单自由度质量点试验子结构的运动方向进行控制。
优选的，所述调谐质量阻尼器子结构包括盖板、端板、滑块、传力杆、连接板、摩擦板、悬挂弹簧以及若干螺栓。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.运用传统混合试验技术原理，基于Opensees、OpenFresco、MTSCsi和MTS电液伺服系统为基础的混合试验平台，完成风荷载作用下输电塔实时子结构混合试验，实现了输电塔风振控制研究的实时性。
2.设计了一个用于输电塔减振研究的试验用TMD子结构。综合考虑TMD的质量，频率以及混合试验平台加载条件等因素，再利用该结构与单质量点试验子结构结合，共同组成试验用TMD子结构，并将该TMD结构放置于输电塔横担中部完成试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例输电塔子结构抗风实时混合实验方法流程图；
图2是本发明实施例通讯以及加载结构示意图；
图3是本发明实施例输电塔子结构抗风实时混合实验系统组成示意图；
图4是本发明实施例调谐质量阻尼器子结构正视图；
图5是本发明实施例调谐质量阻尼器子结构俯视图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法，包括以下步骤：
S1：建立试验子结构，并基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；其中，试验子结构为根据实际试验情况构建的真实的试验子结构；数值子结构在OpenseesNavigator有限元软件中建立。
进一步的实施方式在于，试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，计算调谐质量阻尼器所需质量的方法为：
在预设伸长量附近，测得弹簧刚度；
利用有限元软件对输电塔进行模态分析，获得模态分析结果；
基于模态分析结果以及弹簧刚度，获得调谐质量阻尼器所需质量。
具体的，在预计伸长量附近测得的单个弹簧刚度为4.4545N/mm，其中每侧安装2个受拉弹簧，每侧刚度为8.9090N/mm。
利用Opensees Navigator中的分析模块对该输电塔进行模态分析，SolutionAlgorithmType(求解算法类型)选用Newton(牛顿迭代法)、Integrator Type(积分类型)选用Newmark法。
再根据输电塔的模态分析结果，计算TMD中所需的质量。
m＝k/(2πf)2
其中弹簧系统的刚度等于所有并联弹簧的刚度之和，即k＝∑ki。
所使用的弹簧刚度为k0＝4.4545N/mm。
当k＝2k0＝8.9090N/mm时，计算所需出TMD质量为230kg，为输电塔结构质量的3.052％。
综合考虑TMD的质量，频率以及混合试验平台加载条件等因素，再利用该结构与单质量点试验子结构结合，共同组成试验用TMD子结构，并将该TMD结构放置于输电塔横担中部完成试验。
S2：在有限元软件中输入风荷载时程F(t)以及试验子结构的初始参数，计算数值子结构的第一步动力方程；
α-OS(Alpha-Operator Splitting Method)方法是混合试验中最常用的求解结构动力方程的积分方法之一。该方法结合了α方法和OS方法的优势，是一种显示预测，隐式修正，无条件稳定的数值积分算法。
具体的，关于第一步动力方程：
第i+1时刻α方法的离散化动力方程为：
Mai+1+(1+α)·C·vi+1-α·C·vi+(1+α)·γi+1-α·γi＝(1+α)·fi+1-α·fi
其中ai+1为第i+1步的加速度，vi+1为速度向量，γi和γi+1分别为第i步和第i+1步结构恢复力，M为结构的质量矩阵，C为结构的阻尼矩阵，fi和fi+1分别为第i步和第i+1步的外荷载，-1/3≤α≤0；
进一步的实施方式在于，在有限元软件中使用弹性梁柱单元或试验梁柱单元；
在使用弹性梁柱单元时，需要输入的初始参数包括Modulus of Elasticity(弹性模量E)、Shear Modulus(剪切模量G)、Cross-Sectional Area(截面面积A)、TorsionalMoment of Inertia(转动惯量J)、Moment of Inertia y(y轴惯性矩)和Moment ofInertia z(z轴惯性矩)；
在使用试验梁柱单元时，需要输入的初始参数包括初始刚度矩阵(为6×6对称矩阵)。
由于Opensees Navigator中无法将结点作为试验子结构，选择在横担中部增加一个试验单元(弹性梁柱单元或试验梁柱单元)，试验单元一端结点为固定的参考点(位移值固定为0)，另一端与输电塔横担中部的质量点位置连接。在进行混合试验时，试验子结构仅有惯性力参与作用，故该试验单元的初始刚度K和阻尼C都设定为0，作动器(加载模块)会根据试验单元结点间的相对位移(即质量点相对于地面的位移)进行加载，并将加载过程产生的惯性力返回给数值子结构。
S3：基于第一步动力方程，获得试验子结构的第一步目标位移d；
S4：基于第一步目标位移，加载试验子结构，并获得试验子结构的反力F；
S5：将反力反馈给数值子结构，并结合风荷载时程，计算下一步动力方程；基于下一步动力方程，获得下一步目标位移di+1；具体的，数值子结构再依据上一步的计算结果和试验子结构的反力，继续采用显示预测，隐式修正，无条件稳定的数值积分算法作为输电塔混合试验的数值积分方法求解下一步的动力方程；
S6：基于下一步目标位移，判断风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回步骤S4；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
实施例二
本发明还提供一种输电塔子结构抗风实时混合实验系统，包括：子结构建立模块、第一计算模块、加载模块、第二计算模块以及循环模块；
子结构建立模块，用于建立试验子结构，并在有限元软件中，基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；
第一计算模块，用于在有限元软件中输入风荷载时程以及试验子结构的初始参数，计算数值子结构的第一步动力方程；基于第一步动力方程，获得试验子结构的第一步目标位移；
加载模块，用于基于第一步目标位移，加载试验子结构，并获得试验子结构的反力；
进一步的实施方式在于，加载模块包括电液伺服加载装置(电液伺服控制系统)同以及高性能作动器。并且，试验子结构与作动器连接。
第二计算模块，用于将反力反馈给数值子结构，并结合风荷载时程，计算下一步动力方程；基于下一步动力方程，获得下一步目标位移；
循环模块，用于基于下一步目标位移，判断风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回加载模块；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
如图2所示，进一步的实施方式在于，还包括通信模块，用于进行第一计算模块与加载模块的连接和通信。通信模块为接口和通讯软件。
进一步的实施方式在于，试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，调谐质量阻尼器子结构基于单自由度质量点试验子结构以及弹簧系统设计。
单自由度质量点试验子结构质量为150kg，与加载模块用螺栓连接，利用滑轮和轨道对单自由度质量点试验子结构的运动方向进行控制。
如图4-5所示，弹簧系统添加在作动器与单自由度质量点试验子结构之间，进一步的实施方式在于，调谐质量阻尼器子结构包括上下盖板、左右端板、中间的滑块(质量块M1)、传力杆(圆形钢管)、连接板、摩擦板、悬挂弹簧以及若干螺栓。其中，中间滑块与盖板接触面装有摩擦板(面)，质量块通过轨道运动，轨道嵌入垫板内。
如图3所示，总的来说，输电塔混合试验系统平台主要包括三部分：有限元计算软件、通讯接口软件以及试验加载设备。
实施例三
对TMD子结构的减振效果进行验证：
在预计伸长量附近测得的单个弹簧刚度为4.4545N/mm，其中每侧安装2个受拉弹簧，每侧刚度为8.9090N/mm。TMD中的质量参数，约为230kg。
TMD(调谐质量阻尼器)放置在输电塔横担中部，在风荷载作用下，通过混合试验测定该输电塔安装TMD情况下，参考点的位移及加速度响应，并对比不安装TMD时的结果，以塔身最高处为参考点，以作动器空载进行混合模拟(即作动器不连接试验子结构)的结果作为对照组结果，对比两组在不同风速作用下沿风荷载方向的水平位移及加速度时程结果，验证了TMD子结构的减振效果。
系统(TMD)的减振效果计算方式如下
其中：
δ为减振系统的减振率；
R0为主体结构在未安装减振系统下的响应；
R1为主体结构在安装减振系统后下的响应。
不同工况下的减振率计算结果如表1所示。
从表1减振率计算结果中可以看出，该TMD对输电塔位移的控制效果最大减振率有0.84％。而该TMD对输电塔加速度的减振效果最好为13.155％。随着风速的增大，加速度减振效果整体呈现出一种先增大后减小的情况。
表1
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种输电塔子结构抗风实时混合实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立试验子结构，并基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；
S2：在有限元软件中输入风荷载时程以及所述试验子结构的初始参数，计算所述数值子结构的第一步动力方程；
S3：基于所述第一步动力方程，获得所述试验子结构的第一步目标位移；
S4：基于所述第一步目标位移，加载所述试验子结构，并获得所述试验子结构的反力；
S5：将所述反力反馈给所述数值子结构，并结合所述风荷载时程，计算下一步动力方程；基于所述下一步动力方程，获得下一步目标位移；
S6：基于所述下一步目标位移，判断所述风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回步骤S4；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
2.根据权利要求1所述的输电塔子结构抗风实时混合实验方法，其特征在于，在所述有限元软件中使用弹性梁柱单元或试验梁柱单元；
在使用所述弹性梁柱单元时，需要输入的所述初始参数包括弹性模量、剪切模量、截面面积、转动惯量、y轴惯性矩以及z轴惯性矩；
在使用所述试验梁柱单元时，需要输入的所述初始参数包括初始刚度矩阵。
3.根据权利要求1所述的输电塔子结构抗风实时混合实验方法，其特征在于，所述试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，计算调谐质量阻尼器所需质量的方法为：
在预设伸长量附近，测得弹簧刚度；
利用所述有限元软件对输电塔进行模态分析，获得模态分析结果；
基于所述模态分析结果以及所述弹簧刚度，获得所述调谐质量阻尼器所需质量。
4.一种输电塔子结构抗风实时混合实验系统，其特征在于，包括：子结构建立模块、第一计算模块、加载模块、第二计算模块以及循环模块；
所述子结构建立模块，用于建立试验子结构，并在有限元软件中，基于输电塔数值模型，建立混合试验的数值子结构；
所述第一计算模块，用于在有限元软件中输入风荷载时程以及所述试验子结构的初始参数，计算所述数值子结构的第一步动力方程；基于所述第一步动力方程，获得所述试验子结构的第一步目标位移；
所述加载模块，用于基于所述第一步目标位移，加载所述试验子结构，并获得所述试验子结构的反力；
所述第二计算模块，用于将所述反力反馈给所述数值子结构，并结合所述风荷载时程，计算下一步动力方程；基于所述下一步动力方程，获得下一步目标位移；
所述循环模块，用于基于所述下一步目标位移，判断所述风荷载时程是否输入完毕，若否，则返回加载模块；若是，则试验结束，完成输电塔子结构抗风实时混合实验。
5.根据权利要求4所述的输电塔子结构抗风实时混合实验系统，其特征在于，还包括通信模块，用于进行所述第一计算模块与所述加载模块的连接和通信。
6.根据权利要求4所述的输电塔子结构抗风实时混合实验系统，其特征在于，所述试验子结构采用试验用调谐质量阻尼器子结构，所述调谐质量阻尼器子结构基于单自由度质量点试验子结构以及弹簧系统设计。
7.根据权利要求6所述的输电塔子结构抗风实时混合实验系统，其特征在于，所述单自由度质量点试验子结构质量为150kg，与所述加载模块用螺栓连接，利用滑轮和轨道对所述单自由度质量点试验子结构的运动方向进行控制。
8.根据权利要求6所述的输电塔子结构抗风实时混合实验系统，其特征在于，所述调谐质量阻尼器子结构包括盖板、端板、滑块、传力杆、连接板、摩擦板、悬挂弹簧以及若干螺栓。
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2023
- 2023-09-04 CN CN202311130172.6A patent/CN117131741B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117131741B (zh) | 2024-05-07 |
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