一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法与流程

本发明涉及一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法，属高压输电铁塔技术领域。

背景技术：

空间刚架模型载荷的精准施加，是输电铁塔力学性能进行精确有限元分析的基础。而ansys平台的优势在于有限元分析，对大型复杂形状的图形操作困难，输电铁塔实物模型组成的塔体杆件动辄上千，数量相当大，截面尺寸多，对其风载荷的精准施加难度较大。

输电铁塔主要有三类模型，即空间桁架、桁梁混合和空间刚架模型。大量的研究及工程实践表明，三类模型中，空间桁架建模和计算都最简单，但精度最低，空间桁架法在大多数情况下完全满足工程设计要求，但当荷载工况复杂时，计算结果和试验数据吻合得不够好。空间刚架模型精度高，与实际受力情况最接近，计算精度最高，但其准确建模及外载荷精确施加也最难。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了实现高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷快速准确施加，本发明提出一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法，将风载荷的施加分为先准确定义迎风面组件，然后程序化提取单元数据并计算出各迎风面单元的面积及单元中心点的坐标；利用matlab编制风速模拟程序，模拟出风速时程样本，计算出风压时程样本，并结合迎风面单元的面积及单元中心点的坐标，计算出集中力时程样本，封装成独立的接口文件。

一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法，包括以下步骤：

（1）在ansys平台完成输电铁塔空间刚架有限元模型建立工作的基础上，基本步骤如下：

（1-1）定义迎风面单元组件；

（1-2）提取单元数据并计算出各迎风面单元的面积及单元中心点的坐标。

（2）在matlab平台的工作，基本步骤如下：

（2-1）根据步骤（1-2）中的各单元中心点的坐标数据，编制风速模拟程序，模拟出各单元风速时程样本；

（2-2）根据步骤（2-1）中各单元风速时程样本，计算出各单元风压时程样本；

（2-3）根据步骤（2-2）中各单元风压时程样本和步骤（1-2）中各迎风面单元的面积；计算出各迎风面单元的风力载荷。

（3）在ansys平台的工作，基本步骤如下：

将步骤（2-3）中迎各风面单元的风力载荷作为集中力载荷施加在步骤（2-1）中对应各单元的中心点。

所述高压输电铁塔为电压等级110kv及以上各种类型角钢塔。

所述步骤（2-1）风速模拟程序，采用线性滤波法或谐波合成法，波谱采用davenport风速谱或kaimal风速谱。

所述步骤（2）在matlab平台的工作过程封装成独立的接口文件。

所述程序化提取单元数据，对选择的迎风面单元记录每个单元的两个端点坐标值和截面尺寸，从而计算出每个单元中心点坐标、单元长度、单元的面积。

所述模拟出风速时程样本，用matlab编制程序，采用线性滤波法或谐波合成法，波谱采用davenport风速谱或kaimal风速谱模拟风速，直接得到风速随时间变化的一系列数据，即为风速时程样本。

所述出风压时程样本，根据风压和风速的转换公式，即可将风速时程样本计算出风压时程样本。

所述集中力时程样本，将每个迎风面单元的风力载荷加载在迎风面单元的中心坐标点上即为集中力，风力载荷是随时间变化的，将风压时程样本乘以对应单元面积即得到单元的集中力时程样本。

所述迎风面单元的风力载荷，每个迎风面单元的风力载荷等于风压乘以每个迎风面单元面积。

本发明的有益效果是，本发明考虑了ansys平台对大型复杂形状的图形操作困难，而输电铁塔塔体杆件数量相当大，截面尺寸多，对其风载荷的精准施加难度较大且容易出现错误，将风载荷的施加分为先准确定义迎风面组件，然后程序化提取单元数据并计算出各迎风面单元的面积及单元中心点的坐标，降低了图形操作难度，同时保证数据的准确性。

本发明利用matlab编制风速模拟程序，模拟出风速时程样本，计算出风压时程样本，并结合迎风面单元的面积及单元中心点的坐标，计算出集中力时程样本，封装成独立的接口文件，确保结果准确。

本发明实现了风载荷施加程序化，提高风载荷施加、修改的速度和精确度。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；图2为zms2_39型高压输电铁塔刚架模型；

图3为zms2_39型高压输电铁塔迎风面单元组件；

图4为风速时程样本；图5为风压时程样本；

图6为zms2_39型高压输电铁塔风施加载荷后模型图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示。

本实施例一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法，步骤如下：

步骤一，如图2所示，在ansys平台建立zms2_39型铁塔刚架有限元模型基础上，定义迎风面单元组件，如图3所示，提取单元数据并计算出各迎风面单元的面积及单元中心点的坐标。

在ansys平台创建一个组件，手动拾取迎风面单元，此步骤操作务必仔细，且务必解除单元和几何的相关联性，图3为最终定义的迎风面单元不同角度视图。

如何程序化提取单元数据：对选择的迎风面单元记录每个单元的两个端点坐标值和截面尺寸，从而可计算出每个单元中心点坐标、单元长度、单元的面积。步骤二，在matlab平台，结合单元中心点的坐标数据，编制风速模拟程序，模拟出风速时程样本，如图4所示为用davenport风速谱谐波合成法得到的风速时程样本（即风速随时间的变化关系）；根据风速时程样本，计算出风压时程样本（即风压随时间的变化关系），如图5所示。

模拟出风速时程样本，用matlab编制程序，采用线性滤波法或谐波合成法，波谱采用davenport风速谱或kaimal风速谱模拟风速，直接得到风速随时间变化的一系列数据，即为风速时程样本。

风压时程样本的计算，可根据风压和风速的转换公式，将风速时程样本计算出风压时程样本。

步骤三，在ansys平台，结合步骤一中的迎风面单元的面积与步骤二中的风压时程样本，计算出集中力时程样本，并施加于对应单元的中心点，完成如图6所示的风载荷施加；图6为zms2_39型高压输电铁塔空间刚架模型迎风面单元施加集中力的风载荷后第200秒时刻的示意图。

迎风面单元的风力载荷的计算：每个迎风面单元的风力载荷等于风压乘以每个迎风面单元面积。

技术特征：

技术总结
一种高压输电铁塔空间刚架有限元模型风载荷的施加方法，所述方法将风载荷的施加分为先准确定义迎风面组件，然后程序化提取单元数据并计算出各迎风面单元的面积及单元中心点的坐标；利用MATLAB编制风速模拟程序，模拟出风速时程样本，计算出风压时程样本，并结合迎风面单元的面积及单元中心点的坐标，计算出集中力时程样本，封装成独立的接口文件。本发明利用MATLAB编制风速模拟程序，模拟出风速时程样本，计算出风压时程样本，并结合迎风面单元的面积及单元中心点的坐标，计算出集中力时程样本，封装成独立的接口文件，确保结果准确。

技术研发人员：赵康文;余海洪;黎小秋
受保护的技术使用者：国网江西省电力有限公司电力科学研究院;国家电网有限公司
技术研发日：2018.09.10
技术公布日：2019.01.01