[發明專利]性能優越的基于有限元分析的輸電鐵塔桿件應力計算方法

在審

• 申請號: 201710092219.2
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN107357945A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 季晨宇;徐劍峰;郭成功;葛樂;朱張蓓;朱富云;龔燈才;朱衛;吳曉楠;蔣徐勇;尹海海;林泳
• 申請（專利權）人: 江蘇省電力公司南通供電公司;國家電網公司;江蘇省電力公司
• 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

本申請是申請號：201410423136.3、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力計算方法”的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種對輸電鐵塔進行結構力學分析并精確計算每根桿件應力的方法，屬于輸電線路運行狀態安全評價領域。

背景技術

電能生產與傳輸是國家經濟社會發展的命脈，輸電線路更是關系國計民生的“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。經濟社會的持續健康發展，對輸電線路運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，自然地理氣象條件復雜多變，輸電線路作為大電網的主干，其自身是一個巨大的環境災害承載體。長期運行資料表明線路安全事故大多由機械力學原因造成。雖然在線路規劃設計中，已基于鐵塔塔材理論計算強度值，按特定工況條件計算允許應力并設置安全系數，在一定程度保證線路的安全運行。但實際運行工況復雜且時變，且無法完全由設計規范所預計，部件實際運行應力可能超出安全閾值；因此實際輸電線路雖已嚴格按規范設計、施工、運行，但斷線、倒塔等安全事故仍時有發生。

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。故本發明提出，對鐵塔結構進行有限元建模，考慮到鐵塔結構的彈性形變，對每一根桿件進行力學分析，并根據鐵塔結構對單根桿件的力學性質進行合理疊加，給出整體鐵塔結構的精確力學性質，以得到鐵塔結構在復雜載荷下的精確應力分布。

發明內容

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

步驟1：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(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)相連；

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，獲取鐵塔結構中薄弱的桿件。

其中，步驟1中的鐵塔結構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歸結為節點，每兩個節點之間的桿件視為一個桿單元。

步驟2中的節點位移陣列和單元剛度矩陣[k]^(e)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節點處截面繞三個坐標軸的轉動，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：