[發明專利]架空輸電塔-線耦合體系有限元模型的建模方法

在審

• 申請號: 201310421187.8
• 申請日: 2013-09-17
• 公開（公告）號: CN103455686A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 姚陳果;張薷方;李成祥;米彥;張磊;左周;李昭炯
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 胡正順

1.一種架空輸電塔-線耦合體系有限元模型的建模方法，利用計算機，通過程序，建立架空輸電塔-線耦合體系有限元模型，其特征在于所述方法的具體步驟如下：

(1)建立桿塔、導線和地線有限元模型庫

首先，利用現有的ANSYS軟件中現有的BEAM188梁單元來模擬架空輸電桿塔，即桿塔構件，即先對BEAM188梁單元進行設置：分別設置鋼材Q235、Q345和Q420的楊氏模量、泊松比、密度、截面形狀、屈服強度；后根據桿塔的實際形狀和實際尺寸，利用現有的ANSYS軟件建立實際桿塔有限元模型；再將已建立的實際桿塔有限元模型保存成為APDL文件，并存在ANSYS目錄下，形成架空輸電線路常用的不同種桿塔有限元模型庫，以備用；

然后，用現有的ANSYS軟件中現有的LINK10單元模擬導線和地線，即：輸入架空輸電線路常用的架空輸電導、地線，即導、地線的基本參數：等效截面積、楊氏模量、密度、泊松比及初始應變，并分別保存成為各導、地線型號的APDL文件，從而形成架空輸電線路常用的不同型號的導、地線有限元模型庫，以備用；

(2)組建架空輸電塔-線耦合體系有限元模型基本結構

第(1)步完成后，通過程序，在第(1)步中建立的架空輸電線路的桿塔、導線和地線有限元模型庫中，根據實際架空輸電線路調取桿塔、導線和地線的有限元模型，組建架空輸電塔-線耦合體系的有限元模型基本結構，其具體步驟如下：

①輸入模型實際參數

利用現有的ANSYS軟件，先在編寫的程序中分別輸入實際架空輸電塔-線耦合體系中的桿塔、絕緣子串、導線和地線的實際參數，其中，桿塔的實際參數為：模型中桿塔總數、桿塔型號、桿塔呼稱高度、塔間檔距、塔間高差；導線和地線的實際參數為：導、地線型號及其分裂數；絕緣子串的實際參數為：絕緣子串長度、絕緣子串質量和絕緣子串直徑；

②檢查實際參數完整準確性

第(2)-①步完成后，檢查輸入實際參數的完整性與準確性：當輸入的實際參數不完整或不正確時，則返回(2)-①步，繼續輸入未完的實際參數或更改輸入實際參數，以保證輸入實際參數的完整性與準確性；當輸入的實際參數完整準確時，則可進入下一步調用第(1)步建立的有限元模型庫開始建模；

③建立桿塔有限元模型

第(2)-②步完成后，將輸有實際參數的程序輸入至現有的ANSYS軟件中，在第(1)步建立的桿塔有限元模型庫中，先調出實際架空輸電線路的各基桿塔有限元模型；后將“桿塔定位模塊”程序輸入到現有的ANSYS中，定位各基桿塔，從而實現了整個架空輸電塔-線耦合體系有限元模型中桿塔模型的建立及定位；

④建立絕緣子串有限元模型

第(2)-③步完成后，先將輸有實際參數的程序輸入至現有的ANSYS軟件中，后調用“絕緣子串生成模塊”程序，所述“絕緣子串生成模塊”：由第i基桿塔轉角θ_i來判斷此桿塔懸掛絕緣子串的類型，當轉角θ_i為0時，第i基桿塔為直線塔，則在此基桿塔絕緣子懸掛點處生成懸垂絕緣子串有限元模型；當轉角θ_i不為0時，第i基桿塔為耐張塔，特殊情況：桿塔為直線轉角塔，則將轉角θ_i的值改成一個小數值，如0.001，則在此基桿塔絕緣子懸掛點處生成耐張絕緣子串有限元模型，從而實現了整個架空輸電塔-線耦合體系有限元模型中絕緣子串有限元模型的建立；

⑤建立導、地線有限元模型

第(2)-④步完成后，先將“導、地線生成模塊”程序輸入現有的ANSYS軟件中，在第(1)步建立的導線和地線有限元模型庫中，調出實際型號的導、地線有限元模型；后在導、地線弦線位置處生成導、地線有限元模型，建立架空輸電塔-線耦合體系有限元模型基本結構；

(3)建立準確架空輸電塔-線耦合體系有限元模型

第(2)步完成后，對第(2)步建立的架空輸電塔-線耦合體系有限元模型基本結構進行初始形態找形分析，即用非線性有限元分析方法，確定導、地線在自重力作用下的初始形態，對架空輸電塔-線耦合體系有限元模型基本結構進行初始形態找形分析，建立自重力作用下的準確架空輸電塔-線耦合體系有限元模型，其具體步驟如下：

①設置初始應變、邊界條件及求解精度

通過程序，調用第(2)步建立的架空輸電塔-線耦合體系有限元模型基本結構，為初始形態找形分析做好準備；后設置模型初始應變，根據應力和應變關系得到的真實初始應變，通過實常數設置LINK10單元的屬性；再設置邊界條件，設置每基桿塔塔腿及邊界塔的導、地線懸掛點處均為全自由度約束；然后設置模型求解精度ERR0，求解精度是根據實際的精度要求，在綜合考慮計算量的情況下給出的，對第(2)步建立的架空輸電塔-線耦合體系有限元模型設置初始應變、邊界條件及求解精度，以確保架空輸電塔-線耦合體系有限元模型的精確性和準確性；

②進行非線性求解

第(3)-①步完成后，先設置非線性求解選項，后進行非線性求解，其中，非線性選項的設置包括大變形、應力剛化，同時設置相應的子步數，求解中可采用Newton-Raphson方法進行迭代收斂控制，以幫助得到較好的收斂結果，Newton-Raphson法可有效克服逐步荷載增量法中因誤差積累導致求解結果發散的問題，在某個容限范圍內使求解達到平衡收斂，采用Newton-Raphson法計算輸電導、地線找形時需不斷更新體系位形，進行多次非線性靜力計算，直至導、地線的最大位移矢量差接近于零且方向一致時，找形計算結束，建立自重力作用下的準確架空輸電塔-線耦合體系有限元模型；

③計算最低點水平應力和求解誤差

第(3)-②步完成后，利用現有的ANSYS軟件，通過“求解”程序，先提取中間點應力，后求解其水平分量，再計算求解誤差ERR1；

④建立準確架空輸電塔-線耦合體系有限元模型

第(3)-③步完成后，判斷是否滿足非線性求解終止條件：當ERR1≥ERR0，則返回(3)-②步繼續進行非線性求解迭代，直到滿足求解終止條件為止；當ERR1<ERR0時，則找形分析結束，即可得到自重力作用下準確的導、地線有限元模型，從而建立了自重力作用下的準確架空輸電塔-線耦合體系有限元模型。

2.按照權利要求1所述的架空輸電塔-線耦合體系有限元模型的建模方法，其特征在于：

所述“桿塔定位模塊”：以第一基桿塔的塔身頂點中間位置為坐標原點，以第i基桿塔與i-1基桿塔之間的檔距、高差和轉角為基本參數來實現第i基桿塔坐標位置的確定；

所述“導、地線生成模塊”：采用直接生成有限元的方式，并同時綜合考慮計算量和計算精度來剖分單元，將每個單元長度定為0.9-1.1米，根據兩懸掛點間的直線距離取整數即為單元數目，從而便于通過循環命令流直接生成有限元模型，同時也能保證具有足夠的計算精度。