带刚度可调节u型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型的制作方法
【专利摘要】一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型，塔身模型包括塔柱，塔柱之间设有水平支撑杆和斜支撑杆，采用多个水平截面将塔身模型截断，塔柱被每一个水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构，弹簧片连接结构包括分别安装在塔柱被水平截面截断断口两端的接头，两个接头之间设有安装位置可调节的U型弹簧片，且U型弹簧片的两侧面分别安装在两个接头相向的端面上；被同一个水平截面截断的所有的塔柱的断口位置处安装的U型弹簧片的槽口开口方向均指向塔身模型在该水平截面上的几何中心。具有制作工艺简单、成本低和方便运输组装的优点，并能够满足格构式变截面圆形钢管输电塔对模型刚度和振型的需求，提高实验数据的精准度。
【专利说明】
带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型
技术领域
[0001] 本发明属于空气动力学模型技术领域，具体的为一种带刚度可调节U型弹簧片的 圆管输电塔气弹性模型。
【背景技术】
[0002] 输电塔气弹性模型用于输电塔线体系的气弹性风洞试验，气弹性模型刚度模拟通 常有2种方法:集中刚度法和离散刚度法。集中刚度法要求模型各杆件既做到刚度相似又做 到几何相似。由于输电塔为质量较轻刚度较大的格构式塔架，在满足刚度相似的条件下设 计出的"芯梁"截面较大，会对整个铁塔的挡风面积产生较大的影响，而通常用于制作"外 衣"的ABS塑料板在满足质量相似的情况下，杆件将非常纤薄，无法满足刚性"外衣"的要求， 从而导致气弹试验结果的不准确。而按照离散刚度法的要求制作的模型很难保证在各个杆 件刚度和几何尺寸相似的情况下做到模型的整体刚度和质量的严格相似。因此，采用这2种 方法制作输电塔气弹模型的难度较大，也很难保证其满足气弹性风洞试验的要求。针对输 电塔的结构特点，采用塔架节段加"U"型弹簧片制作铁塔的气弹性模型。
[0003] 传统的"u"型弹簧片设计采用的是节段模型外粘贴"u"型弹簧片形成模型整体。如 果运输前弹簧片已经粘贴好了，运输期间粘贴部分的薄弱环节容易损坏，并且模型体积大 时不利于运输。如果运输后在实验室粘贴拼装，形成牢固整体，这将会占用实验时间。并且 每个塔架截断处的弹簧片厚度、长度和宽度规格一样，这样的设计不能满足格构式变截面 圆形钢管输电塔对模型刚度和振型的需求，从而得到的实验数据不能贴近于实际情况。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气 弹性模型，不仅具有制作工艺简单、成本低和方便运输组装的优点，而且能够满足格构式变 截面圆形钢管输电塔对模型刚度和振型的需求，提高实验数据的精准度。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型，所述塔身 模型包括塔柱，所述塔柱之间设有水平支撑杆和斜支撑杆，采用多个水平截面将所述塔身 模型截断，所述塔柱被每一个所述水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构，所述弹簧 片连接结构包括分别安装在所述塔柱被所述水平截面截断断口两端的接头，两个所述接头 之间设有安装位置可调节的U型弹簧片，且所述U型弹簧片的两侧面分别安装在两个所述接 头相向的端面上;被同一个所述水平截面截断的所有的所述塔柱的断口位置处安装的所述 U型弹簧片的槽口开口方向均指向所述塔身模型在该水平截面上的几何中心。
[0007] 进一步，所述接头包括用于插装在对应的所述塔柱断口内的小径段和位于所述断 口外的大径段。
[0008] 进一步，所述小径段的外径小于对应的所述塔柱断口处的内径0.03mm，所述大径 段的外径大于对应的所述塔柱断口处的内径5mm，且所述小径段和大径段的长度均为lcm。
[0009] 进一步，所述大径段的端面上设有宽度与对应的所述U型弹簧片的宽度相等的矩 形槽，所述U型弹簧片的两侧面分别安装在对应的两个所述接头的矩形槽内。
[0010] 进一步，所述矩形槽的深度为5mm。
[0011] 进一步，所述矩形槽的侧壁上设有螺孔，所述螺孔内设有用于固定所述U型弹簧片 的螺钉或螺栓。
[0012] 进一步，所述矩形槽的两侧侧壁上分别对应设有两个螺孔。
[0013] 进一步，其特征在于:所述U型弹簧片的宽度的计算方法如下：
[0014] U型弹簧片在其横截面上的抗剪刚度Ao为：
[0015] EoAo = Eobt
[0016] 其中，Eo为U型弹簧片的弹性模量;b为"U"型弹簧片宽度;t为U型弹簧片厚度；
[0017]在该U型弹簧片安装位置处的所述塔柱的抗剪刚度A为：
[0019] 其中，E为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的弹性模量;D为塔柱在该U型弹簧片安 装位置处的外径;d为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的内径;令
[0020] EoAo = EA
[0021 ]可得到该U型弹簧片的宽度为：
[0023] 如此，即可计算得到被每一个所述水平截面截断的所述塔柱断口位置处安装的所 述U型弹簧片的宽度。
[0024] 进一步，将所述水平截面按照从下至上的方向依次记为水平截面61，水平截面 G2,……，水平截面G n，并在塔身模型的顶端模拟设置一个水平截面Gn+1，对应的，被水平截面 Gi截断的所述塔柱断口位置处安装的所述U型弹簧片记为弹簧片m，其中，i = l，2,……，n; [0025]则被水平截面Gi截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片山的悬臂长度的计 算方法为：
[0026] 1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G2与所述塔身相交的位 置处时，完全气弹性的所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y1;
[0027] 2)作用在水平截面62与所述塔身相交的位置处的单位水平作用力在弹簧片U1位 置处引起的外力矩M21为：
[0028] M2i = 1 X I12
[0029] 其中，1为单位水平作用力，112为水平截面&和水平截面G2之间的间距；
[0030] 对应的，弹簧片山自身产生的抵抗弯矩M12为：
[0031] Mi2= EF12I1
[0032]其中，F12为所述接头作用到弹簧片山上的轴向力，h为弹簧片山受到的轴向力距离 其旋转轴线的距离，该旋转轴线即为被水平截面61截断的两段塔身模型中，位于上方的一 段塔身模型相对于位于下方的一段塔身模型倾斜旋转的旋转轴线;令
[0033] M2i=Mi2
[0034] 贝1J，
[0036]根据悬臂梁挠度计算公式得到弹簧片山受到对应的接头传递轴力后，该对应的两 个接头之间产生的挠度^^为：
[0038]其中，U为弹簧片山受到的轴向力的作用点到其固定端的距离，即为弹簧片山的有 效受力悬臂长度，所述固定端即为弹簧片山所形成的U型槽槽底的最低点位置；
[0039] Ii为弹簧片山横截面相对于其水平形心轴的惯性矩；
[0040] Ei为弹簧片山的弹性模量；
[0041]匕为弹簧片山的宽度；
[0042] ti为弹簧片Ui的厚度；
[0043]由于位于所述旋转轴线一侧的弹簧片山被压缩，另一侧的弹簧片山被拉伸，因此产 生的倾斜导致塔身模型的塔顶产生的侧向位移y21为：
[0045]其中，压为弹簧片山至塔身模型的塔顶的竖直距离；
[0046] 3)令5^ = ^，则可计算得到弹簧片山的悬臂长度L1;
[0047]同理，被水平截面Gi截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片仏的悬臂长度 U的计算方法为：
[0048] 1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G1+1与所述塔身相交的位 置处时，完全气弹性的所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y1;
[0049] 2)分别计算出弹簧片山、弹簧片1]2……、弹簧片Ui的挠度导致所述塔身模型的塔顶 产生的侧向位移 y(i+i)i、y(i+i)2、......、y(i+i)i，
[0050] 3)令:y(i+i)i+y(i+i)2+......+y(i+i)i = Yi，贝lj可计算得到弹簧片Ui的悬臂长度Li。
[0051 ]本发明的有益效果在于：
[0052] 本发明带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，一方面，利用水平截面 将塔柱截断为多段，并在塔柱断口处用接头和U型弹簧片相连，如此，即可方便地将塔柱分 段运输再组装，具有结构简单、制作方便和便于运输组装的优点；通过将U型弹簧片的安装 位置设置为可调节，使得塔身模型的刚度可调，更贴近于计算的模型刚度，当模型节段数增 加时，还可以满足振型需求，即在频率、刚度和振型满足的情况前，塔身模型能够反映出实 际物体的静力与动力响应，提高实验数据的精准度。
【附图说明】
[0053] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0054] 图1为本发明带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型实施例的结构示 意图；
[0055] 图2为U型弹簧片的结构示意图；
[0056] 图3为图2的俯视图；
[0057]图4为接头的结构示意图；
[0058]图5为图4的俯视图；
[0059] 图6为U型弹簧片与接头之间的装配图；
[0060] 图7为U型弹簧片悬臂长度计算模型的模型图；
[0061] 图8为被水平截面截断的两端塔身中，位于上方的一段塔身相对于位于下方的一 段塔身倾斜旋转时的转轴的位置示意图；
[0062] 图9为U型弹簧片横截面水平形心轴的位置示意图。
【具体实施方式】
[0063]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以 更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0064] 如图1所示，为本发明带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型实施例的 结构示意图。本实施例的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型 1，塔身模型1包括塔柱2，塔柱2之间设有水平支撑杆3和斜支撑杆4，采用多个水平截面5将 塔身模型1截断，塔柱2被每一个水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构。本实施例的 弹簧片连接结构包括分别安装在塔柱2被水平截面5截断断口两端的接头6,两个接头6之间 设有安装位置可调节的U型弹簧片7，且U型弹簧片7的两侧面分别安装在两个接头6相向的 端面上。被同一个水平截面5截断的所有的塔柱的断口位置处安装的U型弹簧片7的槽口 7a 开口方向均指向塔身模型1在该水平截面上的几何中心。本实施例共采用8个水平截面5将 塔身模型1截断为9段。
[0065] 进一步，本实施例的接头6包括用于插装在对应的塔柱2断口内的小径段6a和位于 断口外的大径段6b。本实施例的小径段6a的外径小于对应的塔柱2断口处的内径0.03mm，大 径段6b的外径大于对应的塔柱2断口处的内径5mm，且小径段6a和大径段6b的长度均为lcm。 大径段6b的端面上设有宽度与对应的U型弹簧片7的宽度相等的矩形槽6c，U型弹簧片7的两 侧面分别安装在对应的两个接头6的矩形槽6c内，本实施例的矩形槽6c的深度设置为5mm。 矩形槽6c的侧壁上设有螺孔6d，螺孔6d内设有用于固定U型弹簧片7的螺钉或螺栓。矩形槽 6c的两侧侧壁上分别对应设有两个螺孔6d，且螺孔6d与M2螺钉配合。
[0066] 进一步，其特征在于:U型弹簧片7的宽度的计算方法如下：
[0067] U型弹簧片7在其横截面上的抗剪刚度Ao为：
[0068] EoAo = Eobt
[0069] 其中，Eo为U型弹簧片的弹性模量;b为"U"型弹簧片宽度;t为U型弹簧片厚度；
[0070]在该U型弹簧片安装位置处的塔柱的抗剪刚度A为：
[0072] 其中，E为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的弹性模量;D为塔柱在该U型弹簧片安 装位置处的外径;d为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的内径;令
[0073] EoAo = EA
[0074]可得到该U型弹簧片的宽度为：
[0076]如此，即可计算得到被每一个水平截面截断的塔柱断口位置处安装的U型弹簧片 的宽度。
[0077] 进一步，将水平截面按照从下至上的方向依次记为水平截面&，水平截面G2，……， 水平截面6"，并在塔身模型的顶端模拟设置一个水平截面G n+1，水平截面Gn+1，与塔身模型顶 端相交但不截断塔身模型，不设置U型弹簧片;对应的，被水平截面Gi截断的塔柱断口位置 处安装的U型弹簧片记为弹簧片U，其中，i = l，2,……，n;如图6所示。
[0078] 则被水平截面61截断的塔柱断口位置处安装的弹簧片山的悬臂长度的计算方法 为：
[0079] 1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G2与塔身相交的位置处 时，完全气弹性的塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y 1;
[0080] 2)作用在水平截面62与塔身相交的位置处的单位水平作用力在弹簧片U1位置处 引起的外力矩M21为：
[0081] M2i = 1 X I12
[0082]其中，1为单位水平作用力，112为水平截面&和水平截面G2之间的间距；
[0083]对应的，弹簧片山自身产生的抵抗弯矩M12为：
[0084] Mi2= EF12I1
[0085]其中，Fi2为接头作用到弹簧片Ui上的轴向力，li为为弹簧片Ui受到的轴向力距离其 旋转轴线的距离，该旋转轴线即为被水平截面61截断的两段塔身模型中，位于上方的一段 塔身模型相对于位于下方的一段塔身模型倾斜旋转的旋转轴线，如图8所示;令
[0086] M2i=Mi2
[0087] 贝1J，
[0089]根据悬臂梁挠度计算公式得到弹簧片山受到对应的接头传递轴力后，该对应的两 个接头之间产生的挠度^^为：
[0091]其中，U为弹簧片山受到的轴向力的作用点到其固定端的距离，即为弹簧片山的有 效受力悬臂长度，所述固定端即为弹簧片山所形成的U型槽槽底的最低点位置；
[0092] 1:为弹簧片山横截面相对于其水平形心轴的惯性矩，如图9所示；
[0093]扮为弹簧片山的弹性模量；
[0094]匕为弹簧片山的宽度；
[0095] ti为弹簧片Ui的厚度；
[0096]由于弹簧片山一侧被压缩，一侧被拉伸，因此产生的倾斜导致塔身模型的塔顶产 生的侧向位移y2i为：
[0098] 其中，压为弹簧片山至塔身模型的塔顶的竖直距离；
[0099] 3)令5^ = ^，则可计算得到弹簧片山的悬臂长度L1;
[0100] 同理，被水平截面Gi截断的塔柱断口位置处安装的弹簧片仏的悬臂长度U的计算 方法为：
[0101] 1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G1+1与塔身相交的位置处 时，完全气弹性的塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y 1;
[0102] 2)分别计算出弹簧片山、弹簧片1]2……、弹簧片Ui的挠度导致塔身模型的塔顶产生 的侧向位移 y(i+i)i、y(i+i)2、......、y(i+i)i，
[0103] 3)令:y(i+i)i+y(i+i)2+......+y(i+i)i = Yi，贝lj可计算得到弹簧片Ui的悬臂长度Li。
[0104]以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范 围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明 的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
【主权项】
1. 一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型，所述塔身模 型包括塔柱，所述塔柱之间设有水平支撑杆和斜支撑杆，其特征在于:采用多个水平截面将 所述塔身模型截断，所述塔柱被每一个所述水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构， 所述弹簧片连接结构包括分别安装在所述塔柱被所述水平截面截断断口两端的接头，两个 所述接头之间设有安装位置可调节的U型弹簧片，且所述U型弹簧片的两侧面分别安装在两 个所述接头相向的端面上;被同一个所述水平截面截断的所有的所述塔柱的断口位置处安 装的所述U型弹簧片的槽口开口方向均指向所述塔身模型在该水平截面上的几何中心。2. 根据权利要求1所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述接头包括用于插装在对应的所述塔柱断口内的小径段和位于所述断口外的大径 段。3. 根据权利要求2所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述小径段的外径小于对应的所述塔柱断口处的内径〇.〇3mm，所述大径段的外径大于 对应的所述塔柱断口处的内径5mm，且所述小径段和大径段的长度均为lcm。4. 根据权利要求2所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述大径段的端面上设有宽度与对应的所述U型弹簧片的宽度相等的矩形槽，所述U型 弹簧片的两侧面分别安装在对应的两个所述接头的矩形槽内。5. 根据权利要求4所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述矩形槽的深度为5mm。6. 根据权利要求4所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述矩形槽的侧壁上设有螺孔，所述螺孔内设有用于固定所述U型弹簧片的螺钉或螺 栓。7. 根据权利要求6所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:所述矩形槽的两侧侧壁上分别对应设有两个螺孔。8. 根据权利要求1-7任一项所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型， 其特征在于:所述U型弹簧片的宽度的计算方法如下： U型弹簧片在其横截面上的抗剪刚度A〇为： EoAo = Eobt 其中，Eo为U型弹簧片的弹性模量;b为"U"型弹簧片宽度;t为U型弹簧片厚度； 在该U型弹簧片安装位置处的所述塔柱的抗剪刚度A为：其中，E为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的弹性模量;D为塔柱在该U型弹簧片安装位 置处的外径;d为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的内径;令 EoAo = EA 可得到该U型弹簧片的宽度为：如此，即可计算得到被每一个所述水平截面截断的所述塔柱断口位置处安装的所述U 型弹簧片的宽度。9.根据权利要求8所述的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，其特征在 于:将所述水平截面按照从下至上的方向依次记为水平截面Gi，水平截面G2,......， 水平截面6"，并在塔身模型的顶端模拟设置一个水平截面Gn+1，对应的，被水平截面Gi截断的 所述塔柱断口位置处安装的所述U型弹簧片记为弹簧片U，其中，i = l，2,......，n; 则被水平截面Gi截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片山的悬臂长度的计算方 法为： 1) 利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G2与所述塔身相交的位置处 时，所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Yi; 2) 作用在水平截面&与所述塔身相交的位置处的单位水平作用力在弹簧片U1位置处引 起的外力矩M21为： M21= 1 X ll2 其中，1为单位水平作用力，112为水平截面Gi和水平截面G2之间的间距； 对应的，弹簧片Ul自身产生的抵抗弯矩Ml2为： Ml2= XF12I1 其中，F12为所述接头作用到弹簧片山上的轴向力，1:为弹簧片山受到的轴向力距离其旋 转轴线的距离，该旋转轴线即为被水平截面61截断的两段塔身模型中，位于上方的一段塔 身模型相对于位于下方的一段塔身模型倾斜旋转的旋转轴线;令 M21 = Ml2 则，根据悬臂梁挠度计算公式得到弹簧片山受到对应的接头传递轴力后，该对应的两个接 头之间产生的挠度《:为：其中，U为弹簧片山受到的轴向力的作用点到其固定端的距离，即为弹簧片山的有效受 力悬臂长度，所述固定端即为弹簧片山所形成的U型槽槽底的最低点位置； I:为弹簧片山横截面相对于其水平形心轴的惯性矩； Ei为弹簧片山的弹性模量； bi为弹簧片Ui的宽度； 七为弹簧片山的厚度； 由于位于所述旋转轴线一侧的弹簧片山被压缩，另一侧的弹簧片山被拉伸，因此产生的 倾斜导致塔身模型的塔顶产生的侧向位移y21为：其中，出为弹簧片山至塔身模型的塔顶的竖直距离； 3) 令y2i = Yi，则可计算得到弹簧片Ui的悬臂长度Li; 同理，被水平截面Gi截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片仏的悬臂长度1^的 计算方法为： 1) 利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G1+1与所述塔身相交的位置处 时，完全气弹性的所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y 1; 2) 在水平截面G1+1与所述塔身相交的位置处作用单位水平作用力的条件下，分别计算 出弹簧片山、弹簧片1]2......、弹簧片Ui的挠度导致所述塔身模型的塔顶产生的侧向 位移 y(i+i)i、y(i+i)2、......、y(i+i)i, 3) 令:y(i+i)i+y(i+i)2+......+y(i+i)i=Yi，贝ij可计算得到弹簧片Ui的悬臂长度U。
【文档编号】G01M9/08GK106053011SQ201610641513
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610641513.X, CN 106053011 A, CN 106053011A, CN 201610641513, CN-A-106053011, CN106053011 A, CN106053011A, CN201610641513, CN201610641513.X
【发明人】游溢, 何成, 李文胜, 赵爽, 晏致涛, 赵建平, 王欣欣, 刘阳, 崔晓东, 徐凯, 朱朝辉, 杨小刚
【申请人】国网新疆电力公司电力科学研究院, 重庆大学, 国家电网公司