[發明專利]輸電鐵塔非線性柔性構件的應力計算方法

有效

• 申請號: 201410425896.8
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104298808B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 龔燈才;徐劍峰;葛樂;朱張蓓;朱富云;朱衛;鞠易;孫玉瑋;陸春鋒;樊立帆;徐曉軼;程亮;袁健華;張敏;楊鳴;袁松;錢霜秋
• 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

技術領域

本發明涉及一種對輸電鐵塔柔性構件進行結構力學分析并可精確獲取鐵塔上任意點應力的方法，屬于輸電線路運行狀態安全評價領域。

背景技術

輸電線路是國家電力工業及相關企業賴以生存的通道，對于輸電線路的安全評價對于整個電力系統穩定運行有著至關重要的作用。由于電力工業的不斷發展與革新，輸電線路的等級越來越高，經過的地形也越發的復雜，容易受到自然地理條件和社會情況等一系列復雜情況的干擾，線路的穩定運行受到了極大的危害。因此，國內外的專家學者對此研究也在不斷前進，對線路各個方面進行了評價。

針對08年特大冰雪災害，業界和學界專家普遍認為電網缺乏科學有效的防災減災事故預警綜合體系等是停電事故發生的重要原因之一。建立這一體系的關鍵是對輸電線路的安全狀態給予科學評價。當前相關研究主要通過應用拉力傳感器，設計在線應力監測裝置。由于硬件成本、裝置本體易受外力破壞等影響因素，其進一步推廣應用受到了制約。開發一種零硬件成本、無環境制約、可復用在所有運行輸電線路的結構安全評價系統成為了電網安全運行的當務之急，其中對鐵塔桿件進行精確的應力分布計算是其中的關鍵。

針對輸電鐵塔的應力分布分析計算，見諸公開報導的技術路線均是對鐵塔結構進行多次簡化等效，將鐵塔所受載荷進行簡單的分解或疊加，并忽略鐵塔結構的彈性形變。此種分析方法給出的結果，無法為安全評價提供準確地應力數據。從力學分析的角度考慮，不精確。且對于輸電鐵塔的安全評價僅僅是基于一些假設條件，以及進行了線性化近似處理，并將鐵塔各處的受力及位移形變都歸結到鐵塔模型化之后的節點上。而實際的情況復雜很多，并不是模擬出的線性化模型，也并非故障點就在桿塔節點上。因此，有必要對實際的桿塔情況進行更加準確和合理的建模，采用更精確的方法對整個桿塔的各部位情況進行分析與評價。

基于上述分析，本發明提出了更貼近實際桿塔構造與運行狀態的模型，通過采用有限元增量法和牛頓迭代法修正鐵塔構件單元的剛度矩陣以及載荷矩陣，并引入拉格朗日差值函數，以獲取更加精確的鐵塔構件結構力學。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出輸電鐵塔非線性柔性構件的應力計算方法，用于分析計算鐵塔每根桿件的應力，包括如下步驟：

步驟1：確定輸電鐵塔的結構模型和材料模型；

步驟2：針對鐵塔每個構件單元和節點位移，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

步驟3：采用有限元增量法和牛頓迭代法修正步驟2中所獲得的鐵塔構件單元的剛度矩陣以及載荷矩陣，并計算出鐵塔構件單元的位移矩陣；

步驟4：對輸電鐵塔桿件的受力進行穩定性和強度驗算；

步驟5：根據載荷矩陣和已獲得的鐵塔構件的位移矩陣，分別進行拉格朗日插值計算，得到鐵塔整體的載荷和位移。

其中，步驟1中的輸電鐵塔的結構模型是將桿塔視為三維空間桁架，且空間桁架的桿元都是二力桿元，在結構受力中只受軸向力，并以非線性單元作為分析對象；材料模型為鐵塔結構中存在柔性桿件的復雜鐵塔。

步驟2中的節點位移陣列和單元剛度矩陣[k]^(e)以及節點載荷陣列分別為：

1)點位移陣列的表達式為：

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代表截面的扭轉，θ_yi，θ_zi分別代表截面在xz及xy坐標面內的轉動。

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。

3)節點載荷矩陣的表達式為：