山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法与流程
本发明是一种山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，属于山火防治模拟预测技术领域。
背景技术：
输电线路是智能电网运行的命脉，目前国内外输送电力的主要方法之一是采用高空架空输电线路，而输电线路杆塔则是智能电网不可或缺的重要基础设施。近年来因为我国电网建设得到长足发展，越来越多输电线路经过植被茂密的山区，并通常因循线路方向在山头铺设高压输电线路杆塔。然而，这种情况下，山火发生和发展不可避免，对输电线路及其构成要素的安全运营造成长期性严重威胁。
近几年来，全国范围内（中国国家电网公司和中国南方电网公司辖区）输电线路走廊区域日益受到山火侵扰，过火区域往往深入到塔基部分，对高压输电线路钢结构杆塔抗火等级提出预期要求，亟须避免出现杆塔结构元件出现渐变性结构失效、倾斜、变形甚至倒塌和电网瓦解等二次灾变事件，确保电力系统的安全性和可靠性。然而，此点在当前《220kv~500kv紧凑型架空输电线路设计技术规程》（dl/t5217-2013）、《110kv~750kv架空输电线路施工及验收规范》（gb50233-2014）、《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（dl/t5154-2012）、《特高压架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（dl/t5486-2013）、《110kv~750kv架空输电线路设计规范》（gb50545-2010）、《110kv~500kv架空送电线路设计技术规程》（dl/t5092-1999）等国家标准和电力部门规范中均未涉及和体现。
山火类型依次可以分为中速和高速（蔓延速率分别在2.1~20.0m/min和20.0m/min以上）的中高强度的地表火、树冠火和冲冠火或地表火后转为树冠火，最高树冠火羽流温度和持续时间分别超过1330℃和低于3.0s。然而钢结构杆塔表面受150℃左右热辐射时，铁质塔材即开始出现塑性蠕变；温度在600℃左右时，塔材屈服强度直接趋于零值。在山火环境下高压输电线路杆塔必然有完全丧失承载能力的风险，迫切需要从“治本”角度进行专项应用基础性科学研究。
然而就国内外高压输电线路山火火灾研究情况来看，大部分仍然以山火火灾形成环境分析为主，对高压输电线路钢结构杆塔抗火设计和耐火特性研究仍然处于空白状态。本专利可就此提供总体解决方案。
技术实现要素：
本发明提出的是一种山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其目的在于针对现有技术对高压输电线路钢结构杆塔抗火设计和耐火特性研究仍然处于空白状态的缺陷，针对山火条件下高压输电线路钢结构杆塔抗火特性和倒塌危险等级判定开发数据分析模型。对高压输电线路钢结构杆塔的抗火特性进行模拟及预警设计，为各种高压、超高压和特高压等级别交直流输电线路钢结构杆塔的规划、设计和运行维护提供指导，确保电网的可靠和稳定运行。
本发明的技术解决方案：山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，包括以下步骤：
（1）三维cad图纸模型和特征数据库建立；
（2）分布式非接触式传感器数据回传；
（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析；
（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立；
（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验；
（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型；
（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立。
本发明的有益效果：
1）可以用于对山火条件下钢结构杆塔热场诱导的温度分布和应力分布进行模拟，并可以通过实时动态云图显示杆塔结构温度特性和应力形变特性，及时显示预警信息。
2）可以接入非接触式温度传感器和应力应变传感器，并对实时数据进行分析，可用于集成大型分布式传感器和便携式传感器，提供杆塔风险分析和剩余寿命检测功能。
3）有效建立针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应力损益、应力形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型，实现钢结构杆塔及智能电网安全运营和结构失效预警。
4）对高压输电线路钢结构杆塔的抗火特性进行模拟及预警设计，为各种高压、超高压和特高压等级别交直流输电线路钢结构杆塔的规划、设计和运行维护提供指导，确保电网的可靠和稳定运行。
附图说明
附图1是山火诱发高压输电线路钢结构杆塔结构失效仿真模拟和安全预警方法技术路线图。
附图2是轴力杆单元两种常用失效模型承载力与位移关系曲线。
附图3是输电线路钢结构杆塔及相关零部件三维实体模型。
附图4是输电线路钢结构杆塔及相关零部件三维实体模型。
附图5是分布式非接触式传感器数据回传网络发送设备组成及工作原理示意图。
附图6是分布式非接触式传感器数据回传网络服务器接收设备组成及工作原理示意图。
具体实施方式
山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，包括以下步骤：
（1）三维cad图纸模型和特征数据库建立；
（2）分布式非接触式传感器数据回传；
（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析；
（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立；
（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验；
（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型；
（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立。
所述步骤（1）三维cad图纸模型和特征数据库建立，包括：
1）通过500kv输电线路钢结构杆塔及零部件的技术参数建立三维cad图纸模型；
2）利用ansysworkbench软件对cad图纸模型进行节点及单元划分、逐步施加极限承载力载荷进行求解，对高压输电杆塔杆件进行静态失效点分析，储存至典型静态故障模拟数据库，建立训练样本集；
3）对典型静态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部载荷级别，低位字节表示外部载荷导致的偏移量，建立双参量故障风险分析数据库；
4）将用icem软件划分好网格的杆塔工程文件导入fluent中，利用fluent软件的热力耦合功能，设置火线强度、火焰高度、火焰长度、温度场变化，模拟山火条件下杆塔及其周围的热力分布云图，高温情况下杆塔承重结构失稳数据，储存至典型动态故障模拟数据库，建立训练样本集；
5）对典型动态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部热场编号，低位字节表示热力分布云图编号，导入双参量故障风险分析数据库。
所述步骤（2）分布式非接触式传感器数据回传采用分布式非接触式传感器数据回传网络系统，包括发送设备、接收设备和服务器，所述发送设备通过非接触式传感器采集数据信号后进行编码、载波调制并通过天线发送至接收设备，接收设备接收发送设备发送的信号，实时对载波信号进行解调、解码，并接入服务器中数据库进行筛选。
所述发送设备包括非接触式传感器、发射电台、功率放大器和天线；非接触式传感器采集型号输入模拟数字信号给发射电台，发射电台对模拟数字信号进行采集、压缩、编码加密后，调制到载波信号上，已调信号通过功率放大器放大后经由天线发送给接收设备。
所述接收设备包括全向天线、低噪声放大器、分集合成接收机和服务器，服务器包括数据接收机、服务器主机、网络交换机和电源模块；所述发送设备输出信号通过全向天线、低噪声放大器输入分集合成接收机，分集合成接收机将载波信号输入服务器中的数据接收机，通过服务器主机和网络交换机上传至互联网。
所述步骤（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析，包括以下步骤：
1）将500kv高压输电线路钢结构杆塔三维cad图纸导入fluent，使用fluent对模型进行材料设定，500kv输电杆塔材质为q235，其热工参量随时间变化而变化，属于非线性瞬态模拟；
2）使用理想条件下山火环境设定fluent边界条件，模拟真实山火爆发时的场景；三维空间控制火场微分方程为：
式中ρ为流体密度，单位为kg/m3；φ为任一变量；
3）燃烧过程中，火羽流和热气流流动呈无序混乱状态，为湍流过程，选择湍流模型标准方程进行数据模拟；
4）模拟温度场变化过程属于非线性瞬态导热范畴，将fluent进行求解器设定为3d非稳态隐藏式求解器作为求解方程式；
5）对设置完成的fluent进行模型初始化；
6）fluent计算求解，通过cfd-post后处理窗口得到局部杆件金属表面温度分布和特定位置点温度变化曲线图。
所述步骤（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立，包括以下步骤：
1）利用分布式非接触式传感器数据回传网络，得出不同时间节点杆塔杆件结构单元的温度及应力应变的演化过程数据，在ansys、abaqus或comsol软件中建立输电线路杆塔结构有限元模型；
2）对山火条件下结构杆件应力应变演变及表面和本体温度分布进行动态模拟，得出山火向输电线路走廊蔓延和逼近方向不同动态时间节点杆塔杆件典型部位结构单元的温度及应力应变的演化过程，提炼线路通道靠近单基杆塔处山火火线强度、火场温度分布、火焰蔓延速率、火羽流结构、火焰高度、火焰长度参量以及杆塔结构元件高温诱发应力形变、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、表面和本体温度参量，构建以上参量关联模型，发展复合指标，建立杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统。
所述步骤（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验，包括以下步骤：
1）由fluent构建输电线路杆塔结构表面时变空间温度场有限元模型，通过fluent计算出山火发生时所发生的火焰冲击、热对流、热辐射及对流换热传热方式对于杆塔左侧向杆塔杆件结构单元的温度分布图，作为动态模拟的温度变化输入参量；
2）利用ansys、abaqus或comsol软件进行山火蔓延方向与输电线路杆塔所在走廊走向水平、垂直和斜向相交工况下杆塔力学场有限元模型构建和应力变化曲线绘制，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场，其后进行输电线路杆塔结构抗火的力学性能检验，判断结构体系是否已形成可变机构及其形成周期和模式，“是”则对应结构倒塌，“否”则根据构件残余变形判断结构是否已超出设计允许范围，并根据构件变形时间曲线得到耐火时间，根据耐火时间确定结构是否满足规范要求，根据计算结果评估输电线路杆塔结构体系是否倒塌或超过设计限值，判断杆塔整体可靠度，开发针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应力损益、应力形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型。
所述步骤（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型：利用多次模拟数据实验，结合静态钢结构杆塔失效数据及热场作用下高压输电线路杆塔温度分布图和应力形变分布图，利用温度对钢结构材料的物性影响数据，得到不同热场条件下杆件失效点极限应力，并绘制温度-应力应变双参量耦合的钢结构杆塔倒塌数据曲线模型。
所述步骤（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立：为ansysworkbench编写python脚本文件处理上述分布式非接触式传感器网络和fluent、ansys、abaqus或comsol软件所得到数据，利用pillow、numpy或pyqtgraph进行像素点识别和阈值分析，当温度变化到达钢结构杆塔发生应力应变变化时，获取应力变化范围和钢结构杆塔温度-应力应变曲线，同时进行数据及图像拟合比对，一旦应力达到阈值或钢结构杆塔温度-应力应变曲线与温度-应力应变双参量耦合钢结构杆塔倒塌数据曲线有拟合趋势时，主程序界面显示危险预警、地理信息、危险部位及数值示意，并使用pyqt5编写监控界面、危险预警界面、动态信息提示界面辅助检测界面，从而实现安全预警功能。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如附图1所示，山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，包括以下几个模块：
1、高压输电杆塔结构构件动态失效点分析。
对于输电杆塔结构体系，在判断每根构件是否破坏时，通过其极限承载力是否达到规范规定限值来进行判别。在输电杆塔结构体系中，拉杆和压杆破坏方式不同。一般情况下，压杆多为稳定破坏，拉杆多为强度破坏。在很多有关结构构件失效的模式识别文献中，一般是假设失效后的杆件的应力-应变曲线为一个平台或突降为零。对于受压杆件而言，这两种识别模式都有可能过高或者过低估计失效后杆件所能承担的内力，容易产生结构失效路径偏差。
在输电杆塔体系中较为合理的识别构件失效模型是拉杆采用弹-塑性单元失效模型，构件屈服后保持其屈服点应力不变，但该构件对结构体系刚度矩阵已经没有贡献；而压杆可采用半弹-塑性单元失效模型，假定构件失效后仍有一定继续承载的能力，其所承担的内力将有部分分配到未失效构件上。
如附图2所示，为轴力杆单元两种常用失效模型承载力与位移关系曲线，a为受拉伸-塑性单元失效模型，b为受压半弹-塑性单元失效模型（
压杆失稳后承载力折减系数η主要与构件的长细比λ有关，从钢结构稳定的基本理论着手，在ansys中采用shell181单元建立了角钢模型进行计算分析，拟合出不同的λ下的角钢构件的承载力-位移曲线，最终得到：构件承载力下降的终值基本上在一个比较稳定的区段，η可在0.35~0.50范围内取值。
大型复杂结构体系失效不同与结构一个构件失效，而是一系列构件连续失效的结果。一般而言，结构体系失效可以大致归为以下几类：
（1）结构变为机构。
（2）结构变形大于《高耸结构设计规范》（gbj135-90）中制定的许用值。
（3）结构不能再承受额外荷载或者结构构件首次出现承载力降低的情况。
利用ansys12.0workbench进行输电线路钢结构杆塔结构静力分析，可以求解外载荷引起的位移和约束反力，通过线性分析和非线性分析得出整体结构关键点应力应变变化，因而根据上文提到的结构失效类别设置边界条件，依靠软件ansys可以经过以下几个步骤进行结构分析：
（1）如附图3、附图4所示，依据查询到的500kv输电线路钢结构杆塔参数及相关零部件的技术资料，在进行结构合理简化和等效的基础上，通过cad三维建模后在ansysworkbench12.0软件导入输电线路钢结构杆塔及相关零部件的三维实体模型。
（2）输电线路钢结构杆塔及相关零部件的三维实体模型导入到ansys的“staticstructural（ansys）”界面，添加合理的约束条件。
（3）运用ansys的“mesh”界面对组成输电线路杆塔钢结构的各零件进行网格划分，对关键部位进行网格的细化。
（4）用ansys对输电线路钢结构杆塔整体进行受火强度、振型及固有频率分析。
（5）通过ansys软件动态分析的结果，找出钢结构整体强度的薄弱部位（零件），变形（挠度）最大的部位，得出钢结构局部模型的计算位置和数量。
（6）根据ansys分析的钢结构整体强度和变形确定的局部关键部位，对其进行非线性有限元分析，确定测试应力应变信号采集点的位置，同时要考虑信号采集点的位置应方便传感器的安装及测试，为下一步验证理论与实测的一致性做准备。
2、前期建模以呼高32m的500kv交流电钢结构输电杆塔为例，通过cad完成初步的三维建模后再导入ansys中进行结构分析。
在划分网格和生成节点之前，通常要定义单元类型，也就是所谓的指定分析对象的特征。在ansysworkbench中不需要定义单元类型，系统会根据导入的结构和模型的形状自动为其选择最合适的单元类型，考虑运算量和单元的复杂程度，在满足一般求解和分析的基础上，系统会给出较高级的单元。通过将finiteelementmodeler（fem）选项和前面的分析项目建立关联，在fem界面的elementtypessummary中可以查看单元的类型。系统已经自动为钢结构选择了2nodelinearbeam，梁单元选择beam188。beam188单元适合分析从中等粗短到细长（满足式〖gal〗^2/ei>30即可，其中g为剪切模量，单位为gpa，a为截面积，单位为m2，l为长度，单位为m，ei为抗弯刚度，单位为n/m2）的梁结构，该单元考虑了剪切变形的影响，元素基于铁木辛哥（timoshenko）梁结构理论。
beam188是二次梁或三维线性（2节点）单元。beam188在每个节点上具有六个或七个自由度，自由度的个数由keyopt（1）值决定。当keyopt（1）=0（默认）时，其中每个节点具有六个自由度，它们分别是沿x、y、z方向的平动和绕其的转动。当keyopt（1）=1时，其中每个节点具有七个自由度，添加了第七个自由度，即横截面的翘曲。这个单元能很好的应用于线性（分析）、大角度转动和非线性大应力、应变问题。
beam188不但可以定义任何横截面，而且支持弹性、蠕变以及塑性模型（不考虑次截面形状）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组合截面。beam188从6.0版本开始忽略任何实参数。因而本项目将选择beam188作为有限元单元。
前期准备完成后项目后期应针对杆塔整体进行网格划分，利用ansys线性静态强度分析功能对杆塔结构进行解构，从而得出测量输电线路钢结构受火和受热状态下应力应变变化特征（应力分布和形变效应），之后与fluent所得温度场进行耦合。
3、高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析。
fluent是一款较为常用的集成流体、热力学领域数值模拟技术的数值模拟软件，采用多重网格技术，具有求解收敛稳定、收敛速度快特点，提供了丰富的物理模型。依托ansys有限元仿真软件多场耦合平台，mesh模块为fluent提供良好前处理功能，可以高效集成多种cad辅助建模软件，能够生成二维数值模拟所需三角形、四边形网格，生成三维数值模拟所需四面体、六面体网格，并能够方便实现对模型细节网格的处理，包括网格细化、节点耦合等处理方式。同时，ansys平台为fiuent软件提供了更人性化的结果后处理窗口cfd-post。
fluent软件模拟将通过以下步骤进行：
（1）将500kv高压输电线路紧凑型单回路杆塔三维cad图纸导入fluent，使用fluent对模型进行材料设定，500kv输电杆塔（铁塔）材质为q235，其热工参量会随时间变化而变化，属于非线性瞬态模拟。
（2）使用理想条件下山火环境设定fluent边界条件，模拟真实山火爆发时的场景。山火发展和蔓延特性参数（火线强度、火焰高度、火焰长度、温度场等）可从国内外文献中获取。三维空间控制火场微分方程为：
式中ρ为流体密度，单位为kg/m3；φ为任一变量；
（3）燃烧过程中，火羽流和热气流流动呈无序混乱状态，即为湍流过程，选择湍流模型标准方程进行数据模拟。
（4）本研究模拟温度场变化过程属于非线性瞬态导热范畴，将fluent进行求解器设定为3d非稳态隐藏式求解器作为求解方程式。
（5）对设置完成的fluent进行模型的初始化。
（6）fluent计算求解，通过cfd-post后处理窗口得到局部杆件金属表面温度分布和特定位置点温度变化曲线图。
4、分布式非接触式传感器数据回传网络。
分布式非接触式传感器数据回传网络系统需要由发送设备、服务器接收设备组成，发送设备通过非接触式传感器采集数据信号进行编码、载波调制通过天线发送至服务器接收端设备，服务器端接收设备接收目标设备发送的信号，分别实时对载波信号进行解调、解码，并接入服务器数据库筛选。
根据远距离无线信号通信需求，在设计阶段一般可采用多天线分集合成接收的方式提高系统接收灵敏度，其具有重要信号稳定接收、抗多径衰落、建设成本低、使用灵活等特点。
如附图5所示：发送设备组成及工作原理，该设备由非接触式传感器、发射电台、功率放大器、发射天线组成。数据发射电台对非接触式传感器输出的模拟数字信号进行采集、压缩、编码加密后，调制到载波信号上，已调信号通过功率放大器放大后经由天线发送。
数据发射电台是发送设备的核心单元，主要完成数据的信道编码、数据调制、数模转换、本振信号产生、射频调制和射频信号放大等功能，还包括电源变化及滤波等电路，对输入电源进行稳压变换及滤波，为非接触式传感器和功率放大器供电。
如附图6所示，服务器接收设备组成及工作原理，该设备主要由全向天线列阵、分集合成接收机服务器组成，服务器内部包括数据接收机、服务器主机、网络交换机和电源模块组成。
5、钢结构杆塔抗火特性及预警程序。
利用分布式非接触式传感器数据回传网络，得出不同时间节点杆塔杆件结构单元的温度及应力应变的演化过程数据，在ansys/abaqus/comsol等有限元分析软件中建立输电线路杆塔结构有限元模型，其中温度场根据传热学和有限元理论建立传热分析有限元模型，力学场根据固体力学理论和有限元理论建立力学分析有限元模型。
对山火条件下结构杆件应力应变演变及表面和本体温度分布进行动态模拟，得出山火向输电线路走廊蔓延和逼近方向不同动态时间节点杆塔杆件典型部位结构单元的温度及应力应变的演化过程，提炼线路通道靠近单基杆塔处山火火线强度、火场温度分布、火焰蔓延速率、火羽流结构、火焰高度、火焰长度等参量以及杆塔结构元件高温诱发应力形变、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、表面和本体温度等参量，构建以上参量关联模型，发展以上参量复合指标，建立杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统。
由fluent构建输电线路杆塔结构表面时变空间温度场有限元模型，通过fluent计算出山火发生时所发生的火焰冲击、热对流、热辐射及对流换热等传热方式对于杆塔左侧向杆塔杆件结构单元的温度分布图，作为动态模拟的温度变化输入参量。
由ansys/abaqus/comsol等仿真软件进行山火蔓延方向与输电线路杆塔所在走廊走向水平、垂直和斜向相交等工况下构建杆塔力学场有限元模型和绘制应力变化曲线，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场，其后进行输电线路杆塔结构抗火的力学性能检验，判断结构体系是否已形成可变机构及其形成周期和模式，“是”则对应结构倒塌，“否”则根据构件残余变形判断结构是否已超出设计允许范围，并根据构件变形时间曲线得到耐火时间，根据耐火时间确定结构是否满足规范要求，根据计算结果评估输电线路杆塔结构体系是否倒塌或超过设计限值，判断杆塔整体可靠度，开发针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应力损益、应力形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型。
利用多次模拟数据实验，结合静态钢结构杆塔失效数据及热场作用下高压输电线路杆塔温度分布图和应力形变分布图，利用温度对钢结构材料的物性影响数据，得到不同热场条件下杆件失效点极限应力，并绘制温度-应力应变（t-ƹ）双参量耦合的钢结构杆塔倒塌数据曲线模型。
为ansysworkbench编写python脚本文件处理上述分布式非接触式传感器网络和fluent和ansys/abaqus/comsol等仿真软件所得到数据，利用pillow、numpy、pyqtgraph等数学及图像工具进行像素点识别和阈值分析，当温度t变化到达钢结构杆塔发生应力应变变化时，获取应力变化范围和钢结构杆塔温度-应力应变（t-ƹ）曲线，同时进行数据及图像拟合比对，一旦应力达到阈值或钢结构杆塔温度-应力应变（t-ƹ）曲线与温度-应力应变（t-ƹ）双参量耦合钢结构杆塔倒塌数据曲线有拟合趋势时，主程序界面会显示危险预警、地理信息、危险部位及数值示意，并使用pyqt5编写监控界面、危险预警界面、动态信息提示界面等辅助检测界面，从而实现安全预警功能。
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