一种输电杆塔空间模型塔材定位方法与流程

本发明涉及输电工程领域，具体涉及一种输电杆塔空间模型塔材定位方法。

背景技术：
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输电杆塔塔材数量多，塔材截面有角钢、钢管等多种形式，塔材的截面摆放方向比较复杂，很难快速建立起与实际输电线路杆塔结构塔材摆放方向一致的空间模型，输电杆塔塔材定位成为了输电杆塔空间模型建模的主要技术瓶颈。

解决输电杆塔结构塔材定位的问题，可以实现输电杆塔梁单元建模，输电杆塔的有限元模型一般使用杆单元模型建模，杆单元模型具有只能受拉压，不能受弯矩的特点，而这一特点与真型杆塔并不相同，真型杆塔还会受到弯矩的影响，因此使用梁单元建模需要考虑截面的摆放方向，只有塔材的定位与实际情况基本一致，才能得到准确的模拟效果。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种输电杆塔空间模型塔材定位方法，解决了输电杆塔结构塔材定位的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输电杆塔空间模型塔材定位方法，包括：

在局部坐标系中建立输电铁塔的塔材截面；

根据输电铁塔的塔材实际摆放方向选用定位向量；

根据所述塔材截面、定位向量和向量定位法在全局坐标系中定位输电铁塔的塔材。

在所述局部坐标系中，所述塔材截面的形心主轴方向分别为y轴和z轴；所述塔材截面的两个端点是i节点和j节点，从所述i节点到所述j节点的方向是所述局部坐标系的x轴方向。

所述定位向量选取坐标系中x轴和z轴截面上的任意一个不和x轴方向平行的向量为定位向量vecxz。

所述向量定位法为通过所述定位向量确定所述局部坐标系与全局坐标系的关系，从而确定塔材在空间全局坐标系中的摆放位置。

在全局坐标系下，所述塔材截面从i节点到j节点的连接向量为向量vecx；所述塔材截面的形心主轴y轴在全局坐标系下的向量vecy由所述定位向量vecxz与所述向量vecx叉乘得到；所述塔材截面形心主轴z轴在全局坐标系下的向量vecz由所述向量vecy与所述向量vecx叉乘得到。

在所述步骤：在局部坐标系中建立输电铁塔的塔材截面前还包括：

建立局部坐标系和全局坐标系；

定义坐标系中的输电铁塔的节点坐标；

根据所述节点坐标和输电铁塔的连接关系建立杆件。

所述局部坐标系以输电铁塔的杆件方向为x轴，以所述杆件的一个端点作为坐标原点的空间直角坐标系。

所述定义坐标系中的输电铁塔的节点坐标过程为：在全局坐标系下，建立输电铁塔模型，定义所有输电铁塔的杆件上节点在全局坐标系下的坐标，在空间中唯一确定所有节点的位置信息。

根据所述连接关系将节点连接成为杆件；所述杆件的两个端点确定。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果：

1、本发明的技术方案使用向量定位方法，利用定位向量，定位出塔材 的摆放方向；

2、本发明的技术方案具有步骤简单，实现容易的特点；

3、本发明的技术方案利用较少的向量定位输电杆塔塔材，实现了输电杆塔空间建模；

4、本发明的技术方案在保证空间模型与实际输电线路杆塔结构塔材方向一致的同时，大大提高了建模效率；

5、本发明的技术方案可以实现角钢塔空间模型的快速建模，对输电杆塔结构施工具有一定的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明技术方案提供的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的定义输电铁塔的节点坐标示意图；

图3为本发明实施例提供的根据输电铁塔的连接关系建立杆件示意图；

图4为本发明实施例提供的局部坐标系下角钢截面示意图；

图5为本发明实施例提供的向量叉乘示意图；

图6为本发明实施例提供的向量定位示意图；

图7为本发明实施例提供的局部坐标系下角钢截面示意图；

图8为本发明实施例提供的输电杆塔空间模型示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种输电杆塔空间模型塔材定位方法，如图1所示：在全局坐标系中定义所有节点的坐标，然后根据节点的连接关系建立塔材，最后考虑塔材在空间中的摆放，实现输电杆塔塔材在空间的定位。一般输电塔 使用杆单元建模，不考虑塔材在空间的摆放问题，但是使用杆单元建模不能考虑输电铁塔所受的弯矩的影响，为了考虑输电铁塔的所收到的弯矩影响，需要利用梁单元建模，并考虑塔材的摆放方向。

为了解决输电杆塔结构塔材定位的问题，实现输电杆塔空间模型的快速建模，本发明使用了向量定位法定位输电杆塔的塔材的摆放方向，实现了塔材截面从局部坐标系到全局坐标系的转换。

在输电杆塔结构中，根据塔材的不同可以分为钢管塔和角钢塔。钢管截面是中心对称截面，也是轴对称图形，钢管截面在平面内旋转任意角度和原截面的形状是一样的。角钢截面是单轴对称图形，角钢截面在平面内旋转一定角度，和原截面的形状是不同的。

在空间中，输电杆塔塔材的两个端点确定后，由于角钢截面是单轴对称截面，角钢的朝向并不能够唯一的确定，在空间中的摆向有非常多的可能，非常复杂。

本发明的定位方法中包括以下内容：

一、确立全局坐标系与局部坐标系

全局坐标系和局部坐标系都是空间直角坐标系。空间直角坐标系是以空间一点O为原点，建立三条两两垂直的数轴；x轴，y轴，z轴，这时建立了空间直角坐标系Oxyz,其中点O称为坐标原点，三条轴统称为坐标轴，由坐标轴确定的平面称为坐标平面。

全局坐标系是以Z轴为竖直方向，+Z竖直向上，X-Y平面是水平面，坐标(0，0，0)点为坐标原点。

局部坐标系是以杆件方向为x轴，以杆件的一个端点作为坐标原点的空间直角坐标系。

二、定义输电铁塔的节点坐标

如图2所示，在全局坐标系下，建立输电铁塔模型，需要定义所有杆件 上节点在全局坐标系下的坐标，在空间中唯一确定所有节点的位置信息。根据输电铁塔的连接关系建立杆件

所有节点的坐标定义完成后，根据连接关系将节点连接成为杆件，这时杆件的两个端点确定了，但是塔材截面在空间的摆放没有唯一确定，如图3所示。

三、在局部坐标系下建立塔材截面

如图4和7所示，塔材的截面在局部坐标系的y-z平面内定义。以角钢塔材为例，如附图1所示，以塔材截面的形心主轴分别为y轴和z轴，在局部坐标系下建立塔材截面。

四、向量定位法定位塔材

两个向量的叉乘是一个向量，并且两个向量的叉乘向量与这两个向量垂直。如附图5所示，VxU是一个向量，并且与向量V、向量U相垂直。

输电杆塔杆材的截面在局部坐标系下定义完成后，需要通过定位向量确定局部坐标系与全局坐标系的关系，确定塔材在空间中的摆放位置。

如图6所示，局部空间坐标系为xyz，全局坐标系为XYZ，在局部坐标系中，塔材的形心主轴方向分别为y轴和z轴，塔材的两个端点是i节点和j节点，从i节点到j节点的方向是局部坐标系的x轴方向。局部坐标系的x轴方向和z轴方向所在的截面是xz截面，这里可以选取xz截面上的任意一个不和x轴方向平行的向量为定位向量vecxz，定位向量vecxz在整体坐标系下的矢量值为(vecxzX,vecxzY,vecxzZ)。

定义定位向量vecxz可以在整体坐标系中的定位塔材，塔材从i节点到j节点的连接向量在全局坐标系下的向量vecx，塔材的形心主轴y轴在全局坐标系下的向量vecy，可以由空间定位向量vecxz与向量vecx叉乘得到，塔材形心主轴z轴在全局坐标系下的向量vecz可以由向量vecy与向量vecx叉乘得到。

五、定位向量的选用

定位向量需根据输电杆塔塔材的实际摆放向选用。因为定位向量可以选取xz截面上的任意一个不和x轴方向平行的向量，可以利用较少的向量定位塔材，例如：可以利用向量vecxz1＝(0,0,1)定义非竖直摆放杆件，利用vecxz2＝(1,0,0)定义竖直摆放杆件。最终形成输电铁塔空间模型，如图8所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。