基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法
【专利摘要】本发明针对电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，提出了一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法。首先针对铁塔进行有限元建模，然后施加一定的载荷，在该载荷的作用下，分别求出分析塔身各结构的Y、Z轴方向的极值应力，计算出相应的应力云图，然后根据出现的极值应力情况选取应力较大的若干点作为重点安装点候选处。因此，本发明具有如下优点：1.综合考虑了杆塔构件各方向的应力，并考虑了恶劣工况下的情况；2.研究结果适应性广，可直接应用于各类塔形。
【专利说明】基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统架空输电线路铁塔安全监控领域，尤其是涉及一种基于有限 元分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的蓬勃发展，我国电力工业处于迅速发展期，铁塔作为电力系统架 空输电线路的重要组成部分，起着不可或缺的作用。由于最近几年电力线路断线、倒塔等事 故频发，特别是在冬季线路敷冰较厚的线路上，断线、倒塔的概率更高。对于防止该类事故 的发生一直是关注及研究的重点。
[0003] 鉴于输电线路的结构特点，铁塔承受了整条线路的重量，并产生一定的张力负荷， 使得线路能够架空悬挂。因此对于线路而言，在铁塔预加线路力学载荷的情况下，铁塔的受 力分布情况反映了线路的力学载荷情况，同时也反映了线路导、地线等的耐张力情况。
[0004] 由于塔材在受到外加力的情况下，塔材本身会产生一定程度的受力变形。在通常 情况下，该变形程度难以直接观测到，但可通过应力应变设备对这种微观上的变形量进行 测量，进而确定该塔材的受力情况。首先通过有限元分析判断铁塔的薄弱的位置，然后选择 多个点安装应变量测量，得到不同部位的受力情况，通过对该铁塔受力情况的连续监测，可 得到铁塔的受力变化情况。
[0005] 目前国内有些科研机构已经开始对铁塔的应力进行测量，但是其应力传感器的测 量部位是凭经验值来确定，没有进行科学性分析来选点。
【发明内容】
[0006] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种解决了工程中的难 题，适应性广，可直接应用于各类塔形的一种基于有限元分析的输电铁塔应力传感器的安 装点选择方法。
[0007] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0008] -种基于有限兀分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法，其特征在于，包 括以下步骤：
[0009] 步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据 该铁塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔 的三维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参 数根据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元模拟；
[0010] 步骤2,载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载 荷选取对象；，由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风荷载，结构计算就能够按 静力方法进行；
[0011] 步骤3,针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行 模态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风荷载的背景分量因子，其中需要 用到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，获取结构的第 1阶自振频率：
[0012] 输电塔风荷载计算公式：
[0013]
【权利要求】
1. 一种基于有限兀分析的输电铁塔应力传感器的安装点选择方法，其特征在于，包括 以下步骤： 步骤1，针对所监控的输电塔形结构参数，进行有限元力学建模，具体方式是根据该铁 塔的CAD文件，以及建设铁塔时的设计资料，基于大型商用有限元ANSYS模块建立铁塔的三 维实体有限元模型，模型各部分的尺寸按照设计资料中的参数，初始建模时的材料参数根 据规范取值；其中，输电塔各杆件均采用自定义截面形状的所述BEAM188梁单元模拟； 步骤2,载荷选取：针对铁塔所处的地理位置和工作环境，加上考虑风载荷作为载荷选 取对象；，由于求出了三维实体有限元模型结构上各处的风荷载，结构计算就能够按静力 方法进行； 步骤3,针对步骤1建立的铁塔的三维实体有限元模型以及步骤2选取的载荷进行模 态分析；在计算风振系数的经验公式中，需要知道脉动风荷载的背景分量因子，其中需要用 到第1阶自振频率；采用Block Lanczos法对该塔整个结构进行模态分析，获取结构的第1 阶自振频率： 输电塔风荷载计算公式：
其中，β z为考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响的风振系数；μ s为体型系数， 根据规范可查得；1\为风压高度变化系数，根据此公式得出铁塔的风载荷分布； 步骤4,根据步骤3得到的输电塔风荷载分析并计算极值应力：施加风荷载后，利用有 限元ANSYS模块计算轴向应力以及Y、Z方向的弯曲应力，然后按下面的方法组合出各每个 单元的极值应力： 应力一：截面Y向上部极值应力=轴向应力+Y向上部弯曲应力； 应力二：截面Y向下部极值应力=轴向应力+Y向下部弯曲应力； 应力三：截面Z向上部极值应力=轴向应力+Z向上部弯曲应力； 应力四：截面Z向下部极值应力=轴向应力+Z向下部弯曲应力； 步骤5,根据主材和斜材的应力分布情况确定应力传感器位置：具体是在步骤4得出的 应力极值，分别对主材和斜材应力分布图中的应力值排序，获得前N个应力最大的点N的多 少依据要安装的应力传感器个数而定，其中斜材由于不是主要承重结构，仅计算主材应力 分布情况即可。
【文档编号】G06F17/50GK104063564SQ201410340338
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】王进, 刘志雄, 吴章勤, 艾川 申请人:云南电网公司技术分公司, 武汉大学