专利名称：一种输电塔组装过程模拟方法
技术领域：
本发明属于电力工程领域，涉及一种应用于模拟输电塔组装过程的模拟方法。
背景技术：
输电塔组装过程模拟的难点在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟。目前结构施工过程力学分析应用的方法主要为单元生死技术，但是该技术对构件安装时的位置往往不能控制。也就是说，采用单元生死技术时新装构件的初始位置与实际构件的安装位置往往会存在较大偏差而导致仿真模拟失效，特别是对于结构复杂的在空间联体结构，而猫头塔和酒杯塔等形式的输电塔的塔头就是一个先分叉再闭合的闭环结构。并且当采用单元生死技术对这种高空闭环的输电塔的组装过程进行分析时，往往由于死单元的漂移过大而使死单元发生畸变，导致求解失败，然而对高空闭环结构的对接进行预先的仿真分析，对实际工程的建设具有重要的指导意义。此外，单元生死技术不能考虑构件安装偏差对结构受力状态的影响，也不能用来直接确定输电塔安装过程中的预变形值。为准确、方便地模拟输电塔在组装过程中结构的几何、内力和变形的变化和发展历程，为实际工程的建设提供技术支撑。针对输电塔特殊的结构形式和受力条件，有必要发明新的输电塔组装过程的模拟方法。
发明内容
为了克服现有方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的输电塔组装过程模拟方法，能够精确模拟输电塔组装全过程的几何、内力和变形的发展、变化和演变历程，解决了构件安装定位、构件安装偏差考虑和构件安装预变形值确定中的技术问题。本发明所提出的输电塔组装过程模拟的新方法，其主要创新点在于发明了构件安装定位、构件安装偏差考虑和构件安装预变形值确定的三种新技术，能够更加精确地模拟输电塔的组装过程。所述输电塔组装过程模拟方法，步骤如下 步骤一建立输电塔的几何模型。步骤二 建立输电塔结构整体的有限元模型。步骤三根据输电塔安装方案，把输电塔的组装过程离散为时间序列 0 = <h <h <-■■ <i=r，划分为#步系列的组装阶段, 时刻代表结构的初始“零”状态，
k时刻代表第A步组装完成时结构的状态，&时刻代表输电塔的竣工状态。步骤四把输电塔结构所有构件的刚度矩阵乘以一个小数，以模拟组装起始的 “零”状态。步骤五激活本组装阶段新装构件的单元刚度矩阵，并根据新装构件的实际安装长度、节点的安装坐标、构件安装偏差的大小以及安装预变形值修正对新装构件的单元刚度矩阵加以修正，形成新安装构件的单元刚度矩阵1^。步骤六形成本组装阶段完成时输电塔结构的刚度矩阵Kk，施加本阶段的荷载和边界条件Δ Fk-1，形成控制方程Kk Δ u"= Δ Fk-1。步骤七求得位移增量Auk_\应变增量Δ ε k_\应力增量Δ σ k_\位移ku、应变k ε 和应力Qk0步骤八当K < N时，重复上述步骤五至步骤七的过程，根据拟定的组装序列依次安装各组装阶段的构件，施加相应的荷载，形成并求解相应的控制方程，直到K > N，即可跟踪输电塔组装全过程的几何、内力和变形的数值。所述构件安装精确定位技术为构件的安装通过修改单元及结构的刚度矩阵来实现。即首先根据设计参数建立新装构件的单元刚度矩阵，然后根据即时的安装状态进一步修正其单元刚度矩阵，修正的参数主要是构件的长度和新加节点的坐标，即构件的长度根据实际的制作长度确定，新加节点的位置同样根据实际的安装节点确定。所述构件安装偏差考虑的技术为在组装输电塔的过程中，受操作误差等的影响往往会产生一定的偏差，偏差主要包括构件长度的加工误差、构件的初始弯曲、构件螺栓孔尺寸的误差以及由于螺栓孔隙所引起的偏差等。为考虑这些误差的影响，在新装构件的加工长度和安装节点确定时，通过给新加节点的坐标施加一组修正值加以考虑，其中该组修正值通过工程经验和调查统计分析所获得。所述构件安装预变形值确定技术为对于组装过程中设置变形预调值的输电塔， 各构件的安装位形需根据预调后特定的位形进行定位，才可保证竣工时结构变形后落到目标位形上。结构预变形值的求解方法为在组装全过程分析的基础上，把结构的变形反向施加在原结构上通过反复迭代的方法，获得满足要求的各构件的安装位形，进而得到安装预变形值。本发明与现有的方法相比具有以下创新点和优点本发明针对输电塔的特殊的结构形式和受力条件，能够精确、方便地模拟输电塔组装全过程中结构的几何、内力和变形的发展、变化和演变历程；可以根据输电塔的组装方案准确地定位新装构件两端节点的位置； 能够按照新装构件的实际长度进行安装；在遇到特殊形式的输电塔时，可以有效的避免死单元的漂移过大而发生畸变的问题；能够用来确定组装过程中的预变形值；可以考虑安装偏差对输电塔受力状态的影响。可广泛应用于各种形式输电塔组装过程的模拟。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是输电塔组装过程模拟的流程图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的新的输电塔组装过程模拟方法进行进一步详细说明。1.输电塔组装过程模拟所采用的三种新技术 (1)构件安装的精确定位技术
构件的安装通过修改单元及结构的刚度矩阵来实现。即首先根据设计参数建立新装构件的单元刚度矩阵，然后根据即时的安装状态进一步修正其单元刚度矩阵，修正的参数主要是构件的长度和新加节点的坐标，即构件的长度根据实际的制作长度确定，新加节点的位置同样根据实际的安装节点确定。
(2)构件安装偏差考虑的技术
在组装输电塔的过程中，受操作误差等的影响往往会产生一定的偏差，偏差主要包括构件长度的加工误差、构件的初始弯曲、构件螺栓孔尺寸的误差以及由于螺栓孔隙所引起的偏差等。为考虑这些误差的影响，在新装构件的加工长度和安装节点确定时，通过给新加节点的坐标施加一组修正值加以考虑，其中该组修正值通过工程经验和调查统计分析所获得。(3)构件安装预变形值确定技术
对于组装过程中设置变形预调值的输电塔，各构件的安装位形需根据预调后特定的位形进行定位，才可保证竣工时结构变形后落到目标位形上。结构预变形值的求解方法为在组装全过程分析的基础上，把结构的变形反向施加在原结构上通过反复迭代的方法，获得满足要求的各构件的安装位形，进而得到安装预变形值。2、输电塔组装过程模拟具体的求解步骤和实施方法步骤一根据输电塔的设计资料一次性输入设计数据，建立输电塔的几何模型。步骤二 建立输电塔结构整体的有限元模型。步骤三根据输电塔安装方案，把输电塔的组装过程离散为时间序列 0 = % <4 <h <- <。=Γ,划分为#步系列的组装阶段，I0时刻代表结构的初始“零”状态，
、时刻代表第A步组装完成时结构的状态，。时刻代表输电塔的竣工状态。步骤四把输电塔结构所有组装单元的刚度矩阵乘以一个小数，删除荷载和边界条件，以模拟组装起始的“零”状态。步骤五激活本组装阶段新装构件的单元刚度矩阵，并根据新装构件的实际安装长度、节点的安装坐标、构件安装偏差的大小以及安装预变形值修正对新装构件的单元刚度矩阵加以修正，形成新安装构件的单元刚度矩阵1^。所述步骤五的详细方法是安装第一步要组装的构件，激活新装构件的单元刚度矩阵，根据新装构件实际的安装长度、新装构件安装节点坐标的精确定位以及构件安装偏差的大小及安装预变形值修正输电塔结构单元的刚度矩阵，然后引入荷载和边界条件，形成结构分析第一步的控制方程，进而求得相应的物理量，即第一阶段安装完成后输电塔的受力状态。在此需要说明的是构件的安装偏差值是通过建设单位的经验而获得，构件安装的预变形值是通过对施工全过程模拟的基础上反复迭代而确定。所述步骤五安装第二步要组装的构件，在第一步已装构件变形后的位形上定位并安装第二组装阶段的构件，引入相应的荷载条件，并考虑安装偏差和安装预变形值的影响后，形成第二步分析的控制方程，求解该控制方程即可获得第二阶段安装完成后输电塔的受力状态。在第一组已装构件变形后的位形上定位，确定构件安装预变形值，并安装第二组装阶段的构件；若在该组装阶段有构件被删除，把要删除构件的单元刚度矩阵乘以一个小数，把相应的荷载列阵置零，同时把所删除构件的节点力反向加在与其相连的已有结构的相应节点上。步骤六形成本组装阶段完成时输电塔结构的刚度矩阵Kk，施加本阶段的荷载和边界条件Δ Fk-1，形成控制方程Kk Δ Uk-1= Δ Fk-1。步骤七求得位移增量Auk_\应变增量Δ ε k_\应力增量Δ σ k_\位移kU、应变k ε和应力Ok0步骤八当K < N时，重复上述步骤五至步骤七的过程，根据拟定的组装序列依次安装各组装阶段的构件，施加相应的荷载形成并求解相应的控制方程，直到K > N，输出模拟分析的结果，即可获得输电塔组装全过程的几何、内力和变形的数值。新的输电塔组装过程模拟方法。利用构件安装精确定位技术、构件安装偏差考虑技术和构件安装预变形值确定技术，按照输电塔组装的具体步骤，依次准确定位各组装步要安装构件的位形，精确建立各组装步要安装构件的刚度矩阵，形成并求解各组装阶段输电塔结构的控制方程，进而跟踪组装全过程输电塔的受力状态。所述构件安装精确定位技术为构件的安装位形是通过即时修改构件的长度和新加节点的坐标来准确定位构件安装位形的技术；所述构件安装偏差考虑技术为构件的安装偏差通过给新加节点的坐标加上一组修正值加以考虑的技术；所述构件安装预变形值确定技术为通过组装全过程分析把结构的变形反向施加在原结构上经过反复迭代而确定构件安装预变形值的技术。该输电塔组装过程模拟方法可以精确模拟输电塔组装全过程的几何、内力和变形的发展、变化和演变历程，可广泛应用于各种形式输电塔组装过程的模拟。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种输电塔组装过程模拟方法，其特征在于利用构件安装精确定位技术、构件安装偏差考虑技术和构件安装预变形值确定技术，按照输电塔组装的具体步骤，依次准确定位各组装步要安装构件的位形，精确建立各组装步要安装构件的刚度矩阵，形成并求解各组装阶段输电塔结构的控制方程，进而跟踪组装全过程输电塔的几何、内力和变形的变化历程。
2.根据权利要求1所述构件安装精确定位技术为构件的安装位形是通过即时修改构件的长度和新加节点的坐标来准确定位构件安装位形的技术。
3.根据权利要求1所述构件安装偏差考虑技术为构件的安装偏差通过给新加节点的坐标加上一组修正值加以考虑的技术。
4.根据权利要求1所述构件安装预变形值确定技术为通过组装全过程分析把结构的变形反向施加在原结构上经过反复迭代而确定构件安装预变形值的技术。
5.根据权利要求1所述的输电塔组装过程模拟方法，其特征在于对输电组装过程模拟的步骤如下步骤一一次性建立结构的整体有限元模型；步骤二 根据输电塔安装方案，把输电塔的组装过程离散化划分为#步系列的组装阶段；步骤三把输电塔结构所有单元的刚度矩阵乘以一个小数，以模拟组装起始的“零”状态；步骤四激活本阶段新装构件的单元刚度矩阵，并根据新装构件的实际安装长度、节点的安装坐标、构件安装偏差的大小以及安装预变形值修正对新装构件的单元刚度矩阵加以修正，然后引入荷载和边界条件，形成本组装阶段结构分析的控制方程，进而求得本组装阶段安装完成后输电塔的受力状态；步骤五依次激活安装各组装阶段的构件，根据拟定的组装序列依次激活各组装阶段的构件，施加相应的荷载，并考虑安装偏差和安装预变形值的影响，依次形成并求解各组装阶段输电塔结构的控制方程，进而获得组装全过输电塔的受力状态。
全文摘要
一种输电塔组装过程模拟方法，利用构件安装精确定位、构件安装偏差和构件安装预变形值确定技术，依次准确定位各组装步要安装构件的位形，精确建立各组装步要安装构件的刚度矩阵，形成并求解各组装阶段输电塔结构的控制方程，进而跟踪组装全过程输电塔的受力状态。安装位形是通过即时修改构件的长度和新加节点坐标来准确定位构件安装位形的技术；安装偏差通过给新加节点的坐标加上一组修正值加以考虑的技术；安装预变形值确定通过组装全过程分析把结构的变形反向施加在原结构上经过反复迭代而确定构件安装预变形值的技术。该方法可以精确模拟输电塔组装全过程的几何、内力和变形的发展、变化和演变历程，广泛用于各种形式输电塔组装过程的模拟。
文档编号G06F17/50GK102542125SQ201210067819
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者刘学武 申请人:中国电力科学研究院