[發(fā)明專利]考慮鐵塔結(jié)構(gòu)的彈性形變的輸電鐵塔桿件應(yīng)力計(jì)算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710092218.8
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號(hào): CN107391780A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅云;徐劍峰;郭成功;葛樂;朱張蓓;朱富云;龔燈才;朱衛(wèi);吳曉楠;蔣徐勇;尹海海;林泳
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇省電力公司南通供電公司;國家電網(wǎng)公司;江蘇省電力公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南通市永通專利事務(wù)所32100
• 代理人: 葛雷

本申請是申請?zhí)枺?01410423136.3、申請日：2014.8.26、名稱“一種基于有限元分析的輸電鐵塔桿件應(yīng)力計(jì)算方法”的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種對輸電鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析并精確計(jì)算每根桿件應(yīng)力的方法，屬于輸電線路運(yùn)行狀態(tài)安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電能生產(chǎn)與傳輸是國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的命脈，輸電線路更是關(guān)系國計(jì)民生的“生命線”。輸電線路作為重要的生命線工程，為電力能源的高效供給和合理分配提供了有力保證。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)健康發(fā)展，對輸電線路運(yùn)行的安全和可靠性提出了更高要求。然而，由于我國幅員遼闊，輸電線路路徑長、塔架高、大量穿越深山大河，甚至是無人區(qū)，自然地理氣象條件復(fù)雜多變，輸電線路作為大電網(wǎng)的主干，其自身是一個(gè)巨大的環(huán)境災(zāi)害承載體。長期運(yùn)行資料表明線路安全事故大多由機(jī)械力學(xué)原因造成。雖然在線路規(guī)劃設(shè)計(jì)中，已基于鐵塔塔材理論計(jì)算強(qiáng)度值，按特定工況條件計(jì)算允許應(yīng)力并設(shè)置安全系數(shù)，在一定程度保證線路的安全運(yùn)行。但實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜且時(shí)變，且無法完全由設(shè)計(jì)規(guī)范所預(yù)計(jì)，部件實(shí)際運(yùn)行應(yīng)力可能超出安全閾值；因此實(shí)際輸電線路雖已嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行，但斷線、倒塔等安全事故仍時(shí)有發(fā)生。

針對08年特大冰雪災(zāi)害，業(yè)界和學(xué)界專家普遍認(rèn)為電網(wǎng)缺乏科學(xué)有效的防災(zāi)減災(zāi)事故預(yù)警綜合體系等是停電事故發(fā)生的重要原因之一。建立這一體系的關(guān)鍵是對輸電線路的安全狀態(tài)給予科學(xué)評(píng)價(jià)。當(dāng)前相關(guān)研究主要通過應(yīng)用拉力傳感器，設(shè)計(jì)在線應(yīng)力監(jiān)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(jìn)一步推廣應(yīng)用受到了制約。開發(fā)一種零硬件成本、無環(huán)境制約、可復(fù)用在所有運(yùn)行輸電線路的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)成為了電網(wǎng)安全運(yùn)行的當(dāng)務(wù)之急，其中對鐵塔桿件進(jìn)行精確的應(yīng)力分布計(jì)算是其中的關(guān)鍵。

針對輸電鐵塔的應(yīng)力分布分析計(jì)算，見諸公開報(bào)導(dǎo)的技術(shù)路線均是對鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次簡化等效，將鐵塔所受載荷進(jìn)行簡單的分解或疊加，并忽略鐵塔結(jié)構(gòu)的彈性形變。此種分析方法給出的結(jié)果，無法為安全評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確地應(yīng)力數(shù)據(jù)。從力學(xué)分析的角度考慮，不精確。故本發(fā)明提出，對鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，考慮到鐵塔結(jié)構(gòu)的彈性形變，對每一根桿件進(jìn)行力學(xué)分析，并根據(jù)鐵塔結(jié)構(gòu)對單根桿件的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行合理疊加，給出整體鐵塔結(jié)構(gòu)的精確力學(xué)性質(zhì)，以得到鐵塔結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷下的精確應(yīng)力分布。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于有限元分析的輸電鐵塔桿件應(yīng)力計(jì)算方法，用于分析計(jì)算鐵塔每根桿件的應(yīng)力，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)有限單元法建立鐵塔結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型，根據(jù)得到的力學(xué)模型獲取鐵塔節(jié)點(diǎn)；并將鐵塔結(jié)構(gòu)離散化，得到與鐵塔兩節(jié)點(diǎn)間桿件數(shù)目相同的單元，單元彼此之間僅靠節(jié)點(diǎn)(鐵塔中主材與主材、主材與斜材、斜材與斜材的交匯點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn))相連；

步驟2：針對每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)位移，分別生成單元?jiǎng)偠染仃嘯k]^(e)和節(jié)點(diǎn)位移陣列并根據(jù)桿件之間的空間角度關(guān)系、桿件之間的連接關(guān)系，轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)載荷等效移置到節(jié)點(diǎn)上，形成節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的位移約束條件，求解矩陣方程，得到節(jié)點(diǎn)位移陣列

步驟4：計(jì)算鐵塔節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力，獲取鐵塔結(jié)構(gòu)中薄弱的桿件。

其中，步驟1中的鐵塔結(jié)構(gòu)離散化方法是將鐵塔中主材與主材、主材與斜材、斜材與斜材的交匯點(diǎn)歸結(jié)為節(jié)點(diǎn)，每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的桿件視為一個(gè)桿單元。

步驟2中的節(jié)點(diǎn)位移陣列和單元?jiǎng)偠染仃嚪謩e為：

1)點(diǎn)位移陣列的表達(dá)式為：

其中，為整體坐標(biāo)系中的節(jié)點(diǎn)位移陣列；為第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移陣列；為第2個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移陣列；以此類推為第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移陣列；u_i，v_i，w_i為第i節(jié)點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中三個(gè)方向的線位移；θ_xi，θ_yi，θ_zi為第i節(jié)點(diǎn)處截面繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，θ_xi代表截面的扭轉(zhuǎn)，θ_yi，θ_zi分別代表截面在xz及xy坐標(biāo)面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)單元?jiǎng)偠染仃嘯k]^(e)的表達(dá)式為：