[發明專利]一種基于線性屈曲分析的輸電塔結構初始幾何缺陷模擬方法

在審

• 申請號: 202110332441.1
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113051799A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 李宏男;汪佳;付興
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/13;G06F111/10
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

本發明公開了一種基于線性屈曲分析的輸電塔結構初始幾何缺陷模擬方法，屬于輸電塔結構設計技術領域。本發明的特征模態裝配法主要步驟有：按照設計圖紙建立不包含初始幾何缺陷的理想輸電塔數值模型，施加外荷載對其進行線性屈曲分析，從線性屈曲分析得到的屈曲模態中提取出現在相同位置且分別僅包含一個半波、兩個半波和三個半波的屈曲模態，將提取的屈曲模態按其先后次序線性疊加在各自對應的位置以形成帶有初始幾何缺陷的輸電塔模型。本發明的特征模態裝配法獲得的幾何缺陷沿塔身分布較為均勻，組合了較高半波數的屈曲模態，得到的幾何缺陷較單一屈曲模態形式的缺陷更加符合實際，同時幾何缺陷的構造過程簡單，具有很強的操作性。

技術領域

本發明屬于輸電塔結構設計技術領域，尤其涉及一種輸電塔結構初始幾何缺陷模擬方法。

背景技術

輸電塔結構是一類重要的生命線工程結構，主要用于支撐導線和避雷線，其安全性將直接影響電網的安全運行和社會的生產生活。在鐵塔構件運輸、塔體組立施工、架線施工和后期運維過程中，輸電塔結構不可避免的會產生各種初始幾何缺陷，比如制作、安裝過程中存在的節點偏差，構件的初彎曲和初偏心，各種原因造成的裝配應力等，這些缺陷及其二階效應將極大的削弱輸電塔結構的穩定性和極限承載力。

隨著工程結構日趨復雜化和多樣化，大型結構無論強度還是屈曲分析已經普遍采用有限元方法。在有限元方法中，現有幾何缺陷的模擬方法主要分為三類：施加實測缺陷、確定性缺陷模擬方法和隨機性缺陷模擬方法。其中，確定性缺陷模擬方法通過人為假定將幾何缺陷的分布形式和幅值完全確定下來，代表性方法有一致缺陷模態法和特征缺陷模態法，這兩種方法由于實施簡單，現已廣泛使用并被納入多個國家的結構設計規范，詳見JGJ7-2010,空間網格結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010和EN 1993-1-6-2009,Eurocode 3:Design of Steel Structures-Part 1-6:Strength and Stability ofShell Structures.Brussels:European Committee for Standardization,2010。一致缺陷模態法采用結構的最低階屈曲模態來模擬幾何缺陷，但最低階屈曲模態未必是最不利缺陷分布，高階屈曲模態可能更加不利，詳見張愛林,張曉峰,葛家琪等.2008奧運羽毛球館張弦網殼結構整體穩定分析中初始缺陷的影響研究[J].空間結構,2006(04):8-12；已有研究表明該方法用于輸電塔結構時未能準確預測輸電塔結構的失效模式，詳見FU X,WANG J,LIH N,et al.Full-scale test and its numerical simulation of a transmissiontower under extreme wind loads[J].Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,2019,190:119-133。特征缺陷模態法考慮前若干階屈曲模態單獨或相互組合作為幾何缺陷分布模式，自身存在模態組合規則、模態參與系數和模態截斷階數難以確定的問題，詳見BULENDA T,KNIPPERS J.Stability of grid shells[J].Computers andStructures,2001,79(12):1161-74，用于輸電塔結構時大量屈曲模態僅疊加在同一位置造成對承載力等性能的嚴重低估。上述兩種確定性缺陷模擬方法主要由對網殼和柱殼等殼體結構的研究而來，用于輸電塔結構時具有很多局限性。

針對上述兩種確定性缺陷模擬方法的不足，本發明提出了一種適用于輸電塔結構的確定性幾何缺陷模擬方法，即特征模態裝配法，核心在于沿塔身高度范圍內在線性屈曲分析預測的各薄弱部位按屈曲模態出現的次序線性疊加對應的一個半波、兩個半波和三個半波的屈曲模態，為輸電塔結構的設計、承載力評估和失效模式預測等提供合理的幾何缺陷模式。

發明內容

本發明為輸電塔結構提出了一種確定性的幾何缺陷模擬方法，即特征模態裝配法，為輸電塔結構的設計和安全評估提供合理的幾何缺陷模式。

本發明的技術方案：