[發明專利]一種基于有限元分析的輸電鐵塔桿件應力計算方法

有效

• 申請號: 201410423136.3
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104281739B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 徐劍峰;郭成功;林泳;葛樂;朱張蓓;朱富云;龔燈才;朱衛;吳曉楠;蔣徐勇;尹海海;季晨宇;陳震偉;朱焱;代克麗;羅云
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;江蘇省電力公司;江蘇省電力公司南通供電公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南通市永通專利事務所32100
• 代理人: 葛雷

1.一種基于有限元分析的輸電鐵塔桿件應力計算方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：根據有限單元法建立鐵塔結構的有限元力學模型，根據得到的力學模型獲取鐵塔節點；并將鐵塔結構離散化，得到與鐵塔兩節點間桿件數目相同的單元，單元彼此之間僅靠節點相連；鐵塔中主材與主材、主材與斜材、斜材與斜材的交匯點視為節點；

步驟2：針對每個單元和節點位移，分別生成單元剛度矩陣[k]^(e)和節點位移陣列并根據桿件之間的空間角度關系、桿件之間的連接關系，轉換疊加出鐵塔整體剛度矩陣

步驟3：將鐵塔所受均布載荷和非節點載荷等效移置到節點上，形成節點載荷陣列其中并考慮到矩陣方程中的奇異性，引入鐵塔塔腿四節點的位移約束條件，求解矩陣方程，得到節點位移陣列

步驟4：計算鐵塔節點的應變、應力，獲取鐵塔結構每根桿件應力；

所述步驟2中的節點位移陣列和單元剛度矩陣[k]^(e)分別為：

1)節點位移陣列的表達式為：

$\begin{array}{cc}{\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}^{\left(e\right)}=\left[\begin{array}{c}{\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}_1\\ {\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}_2\\ {\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}_3\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}_n\end{array}\right]& {\[\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\]}_i=\left[\begin{array}{c}{u}_i\\ v_i\\ w_i\\ {\mathrm{\θ}}_{xi}\\ {\mathrm{\θ}}_{yi}\\ {\mathrm{\θ}}_{zi}\end{array}\right]\end{array},i=1,2,...,n$

其中，為整體坐標系中的節點位移陣列；為第1個節點的位移陣列；為第2個節點的位移陣列；以此類推為第n個節點的位移陣列；u_i，v_i，w_i為第i節點在局部坐標系中三個方向的線位移；θ_xi，θ_yi，θ_zi為第i節點處截面繞3個坐標軸的轉動，θ_xi代表截面的轉動角度，θ_yi，θ_zi分別代表截面在xz及xy坐標面內的轉動角度；

2)單元剛度矩陣[k]^(e)的表達式為：

其中，[k]^(e)為桿單元在單元局部坐標系內的剛度矩陣；A為桿單元橫截面面積；I_y為在xz面內截面慣性矩；I_z為在xy面內的截面慣性矩；I_p為單元的扭轉慣性矩；l為長度；E和G分別為材料的彈性模量和剪切模量；

那么，根據所獲得的單元剛度矩陣[k]^(e)并依據桿件之間的空間角度關系、桿件之間的連接關系，即可得到鐵塔整體剛度矩陣

整體剛度矩陣的集成規則如下：

1)先求出每個單元的剛度矩陣[k]^(e)；

2)將的每個子塊進行換號，換成對應的整體編號；

3)將換成以后的字塊送到整體剛度矩陣中的對應位置上；

4)若在同一位置上有幾個單元的相應子塊送到時，則應進行疊加；

經過上述步驟后，就可以得到整體剛度矩陣中的每個子塊，從而形成了整體剛度矩陣

其中，為第j個節點產生單位位移時，在第i個節點上引起的節點力，稱為剛度子矩陣。