架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法
【专利摘要】一种架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，属于架空输电线路抗冰能力评估【技术领域】。本发明利用计算机，通过程序，先建立架空输电杆塔、导线及地线有限元模型库，后组建输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构，再用几何非线性有限元找形分析方法建立自重力作用下准确的架空输电塔-线耦合体系有限元模型，从而实现架空输电塔-线耦合体系有限元模型的快速高效建立。本发明具有方法简单、可操作性强；建模工作量少、效率高；模型准确真实靠性、精确度高，适用性强等优点。本发明可广泛应用于架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建立，特别适用于大面积多条线路架空输电塔-线耦合体系的建立，为抗冰能力的评估提供准确而可靠的基础。
【专利说明】架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法
【技术领域】
[0001]本发明属于架空输电线路抗冰能力评估【技术领域】，具体涉及架空输电线路的塔-线耦合体系有限元模型的建模方法。
【背景技术】
[0002]电力系统的架空输电线路长期暴露在自然界中，容易受覆冰等自然灾害的影响。我国架空输电线路的覆冰灾害较为严重，大面积覆冰灾害事故时有发生，给国民经济及人民生活造成了巨大的灾难和损失。随着我国经济建设的飞速发展和人民生活水平的提高，防止架空输电线路覆冰灾害的发生，保障电力系统的安全稳定运行已经是亟待解决的问题。架空输电线路塔-线耦合体系的抗冰能力评估，能有效指导覆冰在线监测设备的安装和线路抗冰改造工作，从而提高电力系统架空输电线路抵御覆冰灾害天气的能力，确保电力系统的安全稳定运行。建立架空输电塔-线耦合体系有限元模型是架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力评估的基础，因此研究架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法具有极其重要的意义。
[0003]现有架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，如2011年11月23日公布的公布号为CN102254061A的“输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法”专利，公开的建模方法是:利用计算机，通过程序，先通过对输电塔整体结构件的三维CAD模型主动简化并提取框体特征结构，后利用BEAM188梁单元建立特征结构的ANSYS有限元模型库，再按照输电塔结构的实际形状，通过变换工作平面，由单面向多面逐渐过渡，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构，同时通过解析与数值的综合方法对到导线进行参数化建模，并与输电塔模型进行组合，最后确定输电塔线塔耦合体系有限元模型。该建模方法的主要缺点是:①建立杆塔有限元模型时，需要建立三维CAD模型并导入到ANSYS中，人工简化提取框体特征结构并需变换工作平面，导致建模的速度较慢并且耗时较长；②未考虑绝缘子串对架空输电塔-线耦合体系的影响，并且建立的是简化的杆塔模型，并非实际截面形状，因此建模的准确度较低；③建立的导、地线有限元模型未经初始形态找形分析，导致建立的塔线塔有限元模型与实际模型有差异，模型的可靠度和精确度较低，从而导致用此模型进行受力分析进行抗冰能力评估得到结果不准确；④建立杆塔模型时，需要人工进行简化提取框体特征结构，需要有CAD与ANSYS软件的接口 ；用BEAM188梁单元建立了特征结构的有限元模型库，每建立一个框体结构都需要调用相应特征结构的模型库；同时还要变换工作平面，单面向多面逐渐过渡，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构，导致该建模方法比较复杂，技术难度大，可操作性较低，适用性差，不适合用此法建立的模型来进行大面积多条架空输电线路的抗冰能力评估。
【发明内容】
[0004]本发明针的目的是针对现有架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法的不足，提供一种架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，具有方法简单、可操作性强；建模工作量少、效率高；模型准确真实靠性、精确度高，适用性强等优点。能为架空输电塔-线耦合体系抗冰能力的评估，特别是针对大面积多条架空输电塔-线耦合体系抗冰能力的评估，提供准确而可靠的模型基础。
[0005]本发明的基本原理:
[0006]①“杆塔定位模块”的基本原理
[0007]当在迪科尔坐标系中，该模型的第一基杆塔的塔身顶部中心点为坐标原点时(本发明杆塔有限元模型建立时也是以该点为坐标原点，为了简化，本发明的杆塔坐标均指该点坐标)，坐标为(Xi，Yi, Zi)=(0, O, O)，其中:x轴为杆塔横担方向、y轴为杆塔高度方向、z轴为线路延伸方向。并以该坐标原点作为全局坐标系来定位后面所有杆塔的位置。又设第i基杆塔相对于第1-Ι基杆塔的档距、高差和转角分别为Iphi和Qitj第i基杆塔的坐标为
(Xi, Yi, Z1)则:
[0008]第i基杆塔的X轴坐标Xi为:
[0009]
【权利要求】
1.一种架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，利用计算机，通过程序，建立架空输电塔-线耦合体系有限元模型，其特征在于所述方法的具体步骤如下: (1)建立杆塔、导线和地线有限元模型库 首先，利用现有的ANSYS软件中现有的BEAM188梁单元来模拟架空输电杆塔，即杆塔构件，即先对BEAM188梁单元进行设置:分别设置钢材Q235、Q345和Q420的杨氏模量、泊松t匕、密度、截面形状、屈服强度；后根据杆塔的实际形状和实际尺寸，利用现有的ANSYS软件建立实际杆塔有限元模型；再将已建立的实际杆塔有限元模型保存成为APDL文件，并存在ANSYS目录下，形成架空输电线路常用的不同种杆塔有限元模型库，以备用； 然后，用现有的ANSYS软件中现有的LINKlO单元模拟导线和地线，即:输入架空输电线路常用的架空输电导、地线，即导、地线的基本参数:等效截面积、杨氏模量、密度、泊松比及初始应变，并分别保存成为各导、地线型号的APDL文件，从而形成架空输电线路常用的不同型号的导、地线有限元模型库，以备用； (2)组建架空输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构 第(I)步完成后，通过程序，在第(I)步中建立的架空输电线路的杆塔、导线和地线有限元模型库中，根据实际架空输电线路调取杆塔、导线和地线的有限元模型，组建架空输电塔-线耦合体系的有限元模型基本结构，其具体步骤如下: ①输入模型实际参数 利用现有的ANSYS软件，先在编写的程序中分别输入实际架空输电塔-线耦合体系中的杆塔、绝缘子串、导线和地线的实际参数，其中，杆塔的实际参数为:模型中杆塔总数、杆塔型号、杆塔呼称高度、塔间档距、塔间高差；导线和地线的实际参数为:导、地线型号及其分裂数；绝缘子串的实际参数为:绝缘子串长度、绝缘子串质量和绝缘子串直径； ②检查实际参数完整准确性 第(2)-①步完成后，检查输入实际参数的完整性与准确性:当输入的实际参数不完整或不正确时，则返回(2)-①步，继续输入未完的实际参数或更改输入实际参数，以保证输入实际参数的完整性与准确性；当输入的实际参数完整准确时，则可进入下一步调用第(I)步建立的有限元模型库开始建模； ③建立杆塔有限元模型 第(2)-②步完成后，将输有实际参数的程序输入至现有的ANSYS软件中，在第(I)步建立的杆塔有限元模型库中，先调出实际架空输电线路的各基杆塔有限元模型；后将“杆塔定位模块”程序输入到现有的ANSYS中，定位各基杆塔，从而实现了整个架空输电塔-线耦合体系有限元模型中杆塔模型的建立及定位； ④建立绝缘子串有限元模型 第(2)-③步完成后，先将输有实际参数的程序输入至现有的ANSYS软件中，后调用“绝缘子串生成模块”程序，所述“绝缘子串生成模块”:由第i基杆塔转角Θ i来判断此杆塔悬挂绝缘子串的类型，当转角%为O时，第i基杆塔为直线塔，则在此基杆塔绝缘子悬挂点处生成悬垂绝缘子串有限元模型；当转角Θ i不为O时，第i基杆塔为耐张塔，特殊情况:杆塔为直线转角塔，则将转角Θ i的值改成一个小数值，如0.001，则在此基杆塔绝缘子悬挂点处生成耐张绝缘子串有限元模型，从而实现了整个架空输电塔-线耦合体系有限元模型中绝缘子串有限元模型的建立；⑤建立导、地线有限元模型 第(2)-④步完成后，先将“导、地线生成模块”程序输入现有的ANSYS软件中，在第(I)步建立的导线和地线有限元模型库中，调出实际型号的导、地线有限元模型；后在导、地线弦线位置处生成导、地线有限元模型，建立架空输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构； (3)建立准确架空输电塔-线耦合体系有限元模型 第(2)步完成后，对第(2)步建立的架空输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构进行初始形态找形分析，即用非线性有限元分析方法，确定导、地线在自重力作用下的初始形态，对架空输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构进行初始形态找形分析，建立自重力作用下的准确架空输电塔-线耦合体系有限元模型，其具体步骤如下: ①设置初始应变、边界条件及求解精度 通过程序，调用第(2)步建立的架空输电塔-线耦合体系有限元模型基本结构，为初始形态找形分析做好准备；后设置模型初始应变，根据应力和应变关系得到的真实初始应变，通过实常数设置LINKlO单元的属性；再设置边界条件，设置每基杆塔塔腿及边界塔的导、地线悬挂点处均为全自由度约束；然后设置模型求解精度ERR0，求解精度是根据实际的精度要求，在综合考虑计算量的情况下给出的，对第(2)步建立的架空输电塔-线耦合体系有限元模型设置初始应变、边界条件及求解精度，以确保架空输电塔-线耦合体系有限元模型的精确性和准确性； ②进行非线性求解 第(3)-①步完成后，先设置非线性求解选项，后进行非线性求解，其中，非线性选项的设置包括大变形、应力刚化，同时设置相应的子步数，求解中可采用Newton-Raphson方法进行迭代收敛控制，以帮助得到较好的收敛结果，Newton-Raphson法可有效克服逐步荷载增量法中因误差积累导致求解结果发散的问题，在某个容限范围内使求解达到平衡收敛，采用Newton-Raphson法计算输电导、地线找形时需不断更新体系位形，进行多次非线性静力计算，直至导、地线的最大位移矢量差接近于零且方向一致时，找形计算结束，建立自重力作用下的准确架空输电塔-线耦合体系有限元模型； ③计算最低点水平应力和求解误差 第(3)-②步完成后，利用现有的ANSYS软件，通过“求解”程序，先提取中间点应力，后求解其水平分量，再计算求解误差ERRl ； ④建立准确架空输电塔-线耦合体系有限元模型 第(3)-③步完成后，判断是否满足非线性求解终止条件:当ERRl≤ERRO,则返回(3)-②步继续进行非线性求解迭代，直到满足求解终止条件为止；当ERRKERR0时，则找形分析结束，即可得到自重力作用下准确的导、地线有限元模型，从而建立了自重力作用下的准确架空输电塔-线耦合体系有限元模型。
2.按照权利要求1所述的架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，其特征在于: 所述“杆塔定位模块”:以第一基杆塔的塔身顶点中间位置为坐标原点，以第i基杆塔与1-Ι基杆塔之间的档距、高差和转角为基本参数来实现第i基杆塔坐标位置的确定； 所述“导、地线生成模块”:采用直接生成有限元的方式，并同时综合考虑计算量和计算精度来剖分单元，将每个单元长度定为0.9-1.1米，根据两悬挂点间的直线距离取整数即为单元数 目，从而便于通过循环命令流直接生成有限元模型，同时也能保证具有足够的计算精度。
【文档编号】G06F17/50GK103455686SQ201310421187
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】姚陈果, 张薷方, 李成祥, 米彦, 张磊, 左周, 李昭炯 申请人:重庆大学