本发明涉及一种静电场有限元数值计算方法，具体是一种输电线路屏蔽环静电场有限元数值计算的荷载施加方法。
背景技术：
有限元数值计算是将一个连续体结构离散成有限个单元体，这些单元体在节点处相铰结，把载荷加载到节点上，计算在载荷的作用下各节点的电场。用离散体的解答近似代替原连续体解答，当单元划分得足够密时，它与真实值是接近的。
目前，静电场有限元数值计算方法已较为成熟，载荷的施加方法是将屏蔽环整体进行网格划分，在各个节点上施加电位，然后进行求解计算。然而，由于金属材料的屏蔽环为等势体，其内部电场强度为0，屏蔽环整体剖分后，表面网格节点属于金属材料计算域的一部分，则表面节点电场强度也为0，这样的话就观测不到实际的电场强度值。
技术实现要素：
本发明提供一种输电线路屏蔽环静电场有限元数值计算的荷载施加方法，不需要对屏蔽环进行网格剖分，只对屏蔽环周围的空气进行网格划分，这样，屏蔽环表面的节点就属于空气计算域，计算得到的节点电场强度即为屏蔽环表面场强，可以比较方便地得到屏蔽环表面的电场强度值。
本发明采取的技术方案为：
一种输电线路屏蔽环静电场有限元数值计算的荷载施加方法，包括以下步骤：
步骤1：根据屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤的结构尺寸，利用有限元软件对屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤建立几何模型；
步骤2：建立两个空气域模型，空气域一模型比屏蔽环模型大5%，空气域二模型尺寸是整体计算区域的模型的三倍；
步骤3：定义屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤材料的介电常数，定义空气域的介电常数；
步骤4：将计算域划分成四面体结构的有限元网格；
步骤5：进行有效的网格划分，并保证合理的单元形状，节点形状为一个三维节点静电实体单元；制定整个网格划分时单元大小的最小值，对建立的横担、两个空气域模型进行单元网格划分，并使剖分后的单元网格体上的所有节点相等，具有同一个值；而对屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤不进行网格划分，使其金属表面为同一电位。
步骤6：荷载的施加，选择横担实体，在横担上施加零电位，空气边界加载零电位；选取屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤的金属表面的最外层，其电位为高电位，加载U/kV电压。
本发明一种输电线路屏蔽环静电场有限元数值计算的荷载施加方法，与现有技术中的静电场有限元数值计算载荷的施加方法相比：
本发明方法的提出：不对屏蔽环、屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤进行剖分，只对屏蔽环周围的空气进行网格划分，在屏蔽环、屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤表面施加电位，然后进行求解计算，可以比较方便地得到屏蔽环表面的电场强度值，最大值出现在屏蔽环的表面。
附图说明
图1为现有技术中屏蔽环表面的电场强度分布图。
图2为横担几何模型图。
图3为屏蔽环环体、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤几何模型图；
其中，1-横担，2-屏蔽环环体，3-屏蔽环支撑杆，4-导线与屏蔽环的连接板，5-防振锤。
图4为空气域一模型图；
其中，6-空气域一的面。
图5为空气域二模型图；
其中，7-空气域二的面。
图6为剖分后的空气域一和空气域二模型图。
其中，8—空气域一的剖分网格、9—空气域二的剖分网格。
图7为屏蔽环环体、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤模型图。
图8为本发明屏蔽环表面的电场强度分布图。
具体实施方式
一种输电线路屏蔽环静电场有限元数值计算的荷载施加方法，包括以下步骤：
步骤1：根据屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤的结构尺寸，利用有限元软件ANSYS12.0对屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤建立几何模型。
步骤2：建立两个空气域模型，空气域一模型比屏蔽环模型大5%，根据计算经验，便于剖分与计算，比如:屏蔽环模型尺寸为长度1米，宽度1米，高度1米，空气域一模型尺寸可设置为为长度1.05米，宽度1.05米，高度1.05米。空气域二模型尺寸是整体计算区域的模型的三倍。从理论上严格来讲，无穷远处边界上电场强度为零，但如果建立一个非常大的空气域模型，会造成极大的计算量，而根据计算经验，当空气域模型为整体计算区域模型的3倍时，其边界电场强度衰减为零，可以近似认为其边界电场强度为零。
步骤3：定义屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤材料的相对介电常数，屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、杆塔横担、防振锤材料为金属，设置其相对空气的介电常数为1；定义空气域的相对介电常数为1。
步骤4：将计算域划分成四面体结构的有限元网格。
步骤5：为了保证计算的精度，提高计算效率，进行有效的网格划分，并保证合理的单元形状，节点形状为一个三维节点静电实体单元；制定整个网格划分时单元大小的最小值，对建立的横担、两个空气域模型进行单元网格划分，并使剖分后的单元网格体上的所有节点相等，具有同一个值；而对屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤不进行网格划分，使其金属表面为同一电位。
步骤6：荷载的施加，选择横担实体，在横担上施加零电位，空气边界加载零电位；选取屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤的金属表面的最外层，其电位为高电位，为了计算电场强度，在高电位上加载荷载，其数值等于线路电压等级除以，比如：对于1000kV的线路，高电位加载1000/即577.37kV的电位。
将屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤进行网格划分，在各个节点上施加电位，然后进行求解计算后得到的屏蔽环表面的电场强度如1所示。
现有技术中的静电场有限元数值计算载荷的施加方法是将屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤进行网格划分，在各个节点上施加电位，然后进行求解计算，屏蔽环表面的电场强度如图1所示。从图1中观测屏蔽环表面的电场强度值，有限元软件里长度单位为m，电压单位为kV，所以表面场强的最大值为0.106*10-14kV/m，几乎接近与零,如果想得到屏蔽环表面的电场强度值，必须要从与屏蔽环相邻的空气中取值，非常不方便。
本发明方法的提出：不对屏蔽环、屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤进行剖分，只对屏蔽环周围的空气进行网格划分，在屏蔽环、屏蔽环、屏蔽环支撑杆、导线与屏蔽环的连接板、防振锤表面施加电位，然后进行求解计算，屏蔽环表面的强度图8所示。从图8中观测屏蔽环表面的电场强度，可以比较方便地得到屏蔽环表面的电场强度值，最大值出现在屏蔽环的表面，屏蔽环表面的最大电场强度值为2816.9kV/m。