[發明專利]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: 201710092245.5
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN107391781A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 代克麗;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

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：

[δ‾](e)=[δ‾]1[δ‾]2[δ‾]3...[δ‾]n[δ‾]i=uiviwiθxiθyiθzi,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；

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4中計算鐵塔節點的應變和應力公式為：

σxσyσzτxyτyzτzx=E(1-μ)(1+μ)(1-2μ)1μ1-μμ1-μ000μ1-μ1μ1-μ000μ1-μμ1-μ10000001-2μ2(1-μ)0000001-2μ2(1-μ)0000001-2μ2(1-μ)ϵxϵyϵzγxyγyzγzx]]>

其中，σ_x，σ_y，σ_z為坐標軸x，y，z方向上的3個正應力分量；τ_xy，τ_yz，τ_zx為在xy平面，yz平面，zx平面內的3個切應力分量；分別為鐵塔空間結構在發生形變時，節點處在坐標軸x，y，z三個方向上的產生的線應變分量；為鐵塔空間結構在形變時，節點處在xy平面，yz平面，zx平面內產生的3個剪應變分量；；u＝u(x,y,z)，v＝v(x,y,z)，w＝w(x,y,z)分別為鐵塔空間結構在形變時，節點在坐標軸x，y，z方向的位移；E為桿件的彈性模量；μ為泊松比。