全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法技术

本发明专利技术公开了一种全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法。本发明专利技术采用的步骤如下：获取所要研究线路段各杆塔中心的经纬度坐标和高程数据；确定输电线路方向；将经纬度坐标、高程数据转化为空间XYZ坐标；建立ANSYS坐标，计算出各塔基在ANSYS中新的坐标；建立所有杆塔线框模型；为线框模型附属性，建立杆塔有限元模型；建立导地线有限元模型；计算风雨荷载，加载到输电线路塔线体系上进行动力响应分析分析计算。本发明专利技术适用于任何地形条件、线路走向下的塔线体系建模；ANSYS坐标系的选取随线路起始段走向变化而变化，简化了建模过程。本发明专利技术能充分反映风雨载荷对实际输电线路的影响。

【技术实现步骤摘要】
全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法
本专利技术属于输电系统设计分析领域，涉及一种全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法。
技术介绍
输电线路是关系国计民生的生命线工程，输电塔-线体系的安全直接决定着整个电网的正常运行。自然灾害是造成我国输电线路倒塔的首要原因，我国东南沿海省市以台风灾害最为严重。目前输电线路的动力响应研究主要有风洞试验和有限元数值模拟方法。但对于恶劣天气，尤其是台风，风洞无法提供相应的试验风速，因此主要采用有限元法来计算输电线路在恶劣天气荷载下的动力响应。对输电线路按照实际的地理信息、线路走向和杆塔实物进行精确建模尤为重要，是动力响应分析的基础。现有研究都基本集中于同一水平面上的等档距直线等长腿塔线段，实际输电线路很多都架设在山区，塔腿跟开大，四个塔脚高程不同，塔腿采用全方位长短腿而非等长腿，线路走向也不是直线，在多数杆塔处都有偏转。由于同一型号杆塔4个塔腿长度不一，塔身结构一般也有3种变化，塔头根据转角方向不同内外侧横担长度也需调整，模型的基本构件角钢即需要附截面、材料信息也需要指定朝向，所有这些因素的排列组合造成了山区线路建模的复杂性。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术目的在于提供一种适用于所有地形高程、线路走向的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其使输电线路风雨载荷动力响应分析结果更符合实际。为此，本专利技术采用以下的技术方案：全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其包括步骤：r>步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；步骤5、建立所有杆塔线框模型；步骤6、建立杆塔有限元模型；步骤7、建立导地线有限元模型；步骤8、输电塔风荷载计算；步骤9、输电塔雨荷载计算；步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型(即杆塔有限元模型和导地线有限元模型)上进行动力响应分析计算。本专利技术主要包括实际输电线路的有限元模型建模和在恶劣天气风雨荷载下的动力响应分析。进一步地，步骤5中，在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第n#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0；建立完毕后，将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基，将所有的点、线编号偏移N，为后一个杆塔腾出足够的编号空间；同理建立、旋转、平移第(n-1)#杆塔线框模型，并将所有的点、线编号偏移N，直到将所有杆塔线框模型建立完毕。进一步地，步骤6中的杆塔有限元模型为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180、角钢截面、方向关键点、材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。进一步地，步骤7的具体内容为：用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米，建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。进一步地，步骤8的具体内容为：依据气象数据，确定10米高度风速，其余高度风速廓线按指数分布公式给出，结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载，指数分布公式具体为：其中：V10为标准高度10m处的平均风速；V为Z米高度的风速；α为粗糙度系数。进一步地，步骤9中，雨滴谱采用Marshall-Palmer雨谱，雨滴的水平速度由水平风速驱动，结合动量定理和冲量等效原则计算输电塔的雨荷载；所述Marshall-Palmer雨谱的特征在于降雨过程中雨粒大小和粒数分布符合如下规律：n(D,I)＝n0exp(-ΛD)，上式中，各符号的含义：n(D,I)为在雨强为I条件下，雨滴直径为D的雨粒粒数；常数n0＝8×103/(m3·mm)；Λ＝4.1×103/mm。进一步地，步骤5中所述杆塔线框模型的建模过程主要包括：将铁塔分成塔腿、塔身和塔头，分别建模，各模块之间通过公共节点连接；预先建立各级接腿的模型，4个塔腿根据腿长分别调用各级接腿；根据线路转向，确定横担的转角内侧与外侧。进一步地，步骤5中所述将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基涉及到旋转量，按下面方法判定：有相邻三个杆塔ABC，线路方向A->B->C，C在直线AB上的投影为D，沿线路方向在B处有：(xB-xA)(yC-yD)>0，线路左转；上述公式中xA、xB、yC、yD分别表示A点在水平面内的X坐标、B点在水平面内的X坐标、C点在水平面内的Y坐标、D四在水平面内的Y坐标；(xB-xA)(yC-yD)<0，线路右转；线路在B处旋转度数大小为∠DBC，规定符号左转为正，右转为负；n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型旋转量相当于从2#到(n-1)#塔基处线路旋转量的叠加加上n#处线路旋转量的一半；n#塔基处的模型相对于1#处的初始模型平移量为此两塔基的坐标增量。进一步地，步骤6中所述方向关键点到坡面的距离比铁塔坡面几何尺寸大3个数量级以上且到坡面的垂直投影点在坡面内，使得角钢比实际位置绕楞线稍有偏转，但偏转角小到可以忽略(≤0.001rad)，距离越远，误差越小。进一步地，步骤7中所述悬链线公式为：其中，x和z为各导线节点坐标计算值，Q为单位长度导线的自重；H为输电线的水平张力；L为两悬挂点的水平距离；c为两悬挂点的垂直高度差。本专利技术具有的有益效果如下：与现有技术相比，本专利技术适用于任何地形条件、线路走向下的塔线体系建模，方便线路模型的扩展；提出的角钢方向指定方法大大简化了以往为每个角钢分别指定方向的做法，尤其在角钢数量巨大时显示出更明显的优势；ANSYS坐标系的选取随线路起始段走向变化而变化，简化了建模过程。本专利技术能充分反映风雨载荷对实际输电线路的影响。附图说明图1为本专利技术全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力分析总体流程图；图2为本专利技术应用例中所选取输电线路段的卫星图；图3为本专利技术应用例中ANSYS坐标系中塔线体系示意图；图4为本专利技术应用例中输电塔角钢构件朝向模拟图；图5为本专利技术应用例中不同雨强下的水平方向雨荷载图；图6为本专利技术应用例中2#转角输电塔应力轴力云图；图7为本专利技术应用例中3#转角输电塔轴力云图；图8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，包括步骤：/n步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；/n步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；/n步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；/n步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；/n步骤5、建立所有杆塔线框模型；/n步骤6、建立杆塔有限元模型；/n步骤7、建立导地线有限元模型；/n步骤8、输电塔风荷载计算；/n步骤9、输电塔雨荷载计算；/n步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型上进行动力响应分析计算。/n

【技术特征摘要】
1.全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、确定需要建模的输电线路段和各杆塔中心的经纬度坐标及高程数据；
步骤2、确定输电线路方向，从步骤1所述输电线路段一端的铁塔开始按序编号，1、2、3…n-1、n，则线路方向定为1->2->3->...->n；
步骤3、将经纬度坐标及高程数据转化为空间XYZ坐标，计算从2#到n#塔基分别相对于1#塔基的坐标增量DX、DY、DZ；
步骤4、建立ANSYS坐标，以1#杆塔中心轴线与最长塔腿的塔脚所在的水平面的交点为原点，X轴与1#塔横担方向平行，线路方向1->2为Z轴，塔高方向为Y轴，根据步骤3各坐标增量计算出ANSYS中各塔基新的坐标；
步骤5、建立所有杆塔线框模型；
步骤6、建立杆塔有限元模型；
步骤7、建立导地线有限元模型；
步骤8、输电塔风荷载计算；
步骤9、输电塔雨荷载计算；
步骤10、将风雨荷载加载到塔线有限元模型上进行动力响应分析计算。


2.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤5中，在上述步骤4的坐标系中使用APDL命令流先建立第n#杆塔线框模型，中心轴线与Y轴重合，横担与X轴平行，最长塔腿的Y坐标为0；建立完毕后，将第n#杆塔线框模型从1#塔基处旋转、平移至第n#塔基，将所有的点、线编号偏移N，为后一个杆塔腾出足够的编号空间；同理建立、旋转、平移第(n-1)#杆塔线框模型，并将所有的点、线编号偏移N，直到将所有杆塔线框模型建立完毕。


3.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤6中的杆塔有限元模型为线框模型附属性，包括梁单元BEAM180、角钢截面、方向关键点、材料密度、屈服强度和泊松比，然后对所有杆塔进行网格划分。


4.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤7的具体内容为：用LINK180杆单元模拟导地线，每个杆单元长度为1米，建立局部坐标系，根据杆塔挂线点节点坐标和悬链线公式计算出两挂线点之间输电导线各个节点的坐标位置。


5.根据权利要求1所述的全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法，其特征在于，步骤8的具体内容为：依据气象数据，确定10米高度风速，其余高度风速廓线按指数分布公式给出，结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载，
指数分布公式具体为：



其中：V10为标准高度10m处的平均风速；V为Z米高度的风...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪明军，吕洪坤，应明良，池伟，罗坤，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州意能电力技术有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33