本发明涉及输电
技术领域：
，尤其涉及一种直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法。
背景技术：
：目前在输电线路中，常用的铁塔塔型通常为直线塔，特别是在沿海地区。然而，由于输电线路具有铁塔高、跨距大、柔性强等特点，导地线和绝缘子串的几何非线性以及塔线之间的耦合作用使得输电线路对强风等环境激振的作用非常敏感，容易发生机械振动、疲劳损伤和动态倒塌等破坏现象。因此，对输电线路进行监测来实时掌握输电线路的运行状态，获取重要的运行数据，对于提高输电线路安全运行水平和设计水平具有重要意义。在对输电线路进行监测的项目中，输电铁塔风振响应测试是其中比较重要的一项。风振响应测试一般采用布置在直线塔上的加速度传感器进行，通过对加速度传感器采集到的数据进行分析，可以得到输电铁塔在强风环境中的振动情况，进一步的，可以发现如螺栓松动等影响铁塔承力的缺陷。然而，目前加速度传感器在直线塔上的布置方案通常是依据经验布置的，缺乏理论依据，导致所选定的部分或所有加速度传感器的布置点不合理，从而导致各加速度传感器所采集到的数据准确性和真实性较差，不能真实反映输电铁塔在强风环境中的风振响应情况。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法，用于选定加速度传感器的合理布置点，确保各加速度传感器所采集到的数据准确性和真实性。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供的直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法包括：构建直线塔的有限元模型；对所述有限元模型施加模拟风载荷，计算获得直线塔前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态；根据直线塔的结构尺寸以及各所述有限元计算模态，确定加速度传感器在直线塔上的布置点；将加速度传感器安装在直线塔的所述布置点位置。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法中，先通过建立有限元模型，并针对有限元模型进行计算获得直线塔的前六阶固有频率和有限元计算模态，然后利用计算获得的直线塔的前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态，以及直线塔的结构尺寸特征，来确定加速度传感器在直线塔上的布置点。与现有技术中仅根据作业经验确定加速度传感器在直线塔上的布置点相比，本发明中加速度传感器在直线塔上的布置点的选定更加合理可靠，从而确保各加速度传感器所采集到的数据准确性和真实性，以便真实反映输电铁塔在强风环境中的风振响应情况，从而确保输电线路的运行安全。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例提供的一种直线塔的结构示意图；图2为本发明实施例提供的加速度传感器布置方法的流程图；图3为本发明实施例中直线塔的第一阶模态振型图；图4为本发明实施例中直线塔的第二阶模态振型图；图5为本发明实施例中直线塔的第三阶模态振型图；图6为本发明实施例中直线塔的第四阶模态振型图；图7为本发明实施例中直线塔的第五阶模态振型图；图8为本发明实施例中直线塔的第六阶模态振型图；图9为本发明实施例中加速度传感器在直线塔上的布置点示意图。具体实施方式为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法进行详细描述。在输电线路中常用的直线塔如图1所示，该直线塔是由角钢构成的空间结构，节点(多根角钢的交接位置)处采用螺栓连接，或采用节点板和螺栓连接。直线塔可分为塔头10、塔身20和塔腿30三个部分，其中塔头10包括六个横担11和二个地线支架12。此外，根据杆材在直线塔上的位置，可将塔材划分为主材、斜材、辅助材和横隔材，其中，表示直线塔外轮廓线的角钢为主材，连接在主材之间的角钢为斜材，连接在斜材之间或者斜材与主材之间的角钢为辅助材，水平横隔面的角钢称作横隔材。请参阅图2，本发明实施例提供的直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法包括：步骤100，构建直线塔的有限元模型。构建直线塔的有限元模型时，有限元模型为桁梁混合模型，并将桁梁混合模型中连接在两个节点之间的角钢划分为一个单元，其中，桁梁混合模型中的主材和横隔材均采用梁单元，梁单元主要用于承受横向载荷(剪力和弯矩)；斜材采用杆单元，主要用于承受轴向载荷，有时承受少量的剪力和弯矩。此外，在构建有限元模型时忽略辅助材和节点板，以简化有限元模型。主材梁单元横截面形状为角钢形状，但不指定角钢朝向。采用上述桁梁混合模型，可以有效避免全杆单元模型刚度不足和全梁单元模型刚度过大的问题，更加符合实际铁塔力学特性。建立完成上述有限元模型后，需要将塔腿进行约束，以限制其所有自由度，以在进行模态分析时确保直线塔的基础牢固，不会发生移动或转动。例如针对图1所示的直线塔，需要对该直线塔的四个塔腿进行约束，以限制其在x、y、z方向的平动自由度和转动自由度。而塔基和塔身对强风激振响应远小于塔头，因此，塔基和塔身的结构之间的相互作用可以忽略不考虑。步骤200，对有限元模型施加模拟风载荷，计算获得直线塔前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态。具体地，由于环境中强风激励属于随机激励，会激发出直线塔的多阶振型；而在工程应用中，前几阶是结构的整体性能的反映，而高阶主要涉及得是局部特性；而且前几阶容易被激发出来，而且起主导作用，后面高阶影响较小，因此，在本发明实施例中主要考虑的是直线塔的前六阶。施加在有限元模型上的风载荷是根据风功率谱模拟实际风的情况，并根据模拟出来的实际风情况计算出来的。将该计算获得的风载荷施加到有限元模型上后进行计算，计算获得直线塔前六阶固有频率以及前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态。具体实施时，可以采用如下方法计算获得直线塔前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态：针对施加有模拟风载荷的有限元模型，列写振动力学通用方程：假设有限元模型的振动系统为无阻尼自由振动系统，公式(1)变为：公式(2)对应的特征方程为：(k-λ2m)φ＝0公式(3)公式(3)有非零解的条件为：|k-λ2m|＝0公式(4)其中，[m]为有限元模型的振动系统的质量矩阵，[c]为有限元模型的振动系统的阻尼矩阵，[k]为有限元模型的振动系统的刚度矩阵，为有限元模型的振动系统的加速度向量，为有限元模型的振动系统的速度向量，{x}为有限元模型的振动系统的位移向量，{f(t)}为外激励向量，λ为有限元模型的振动系统的固有频率，φ为有限元模型的振动系统的有限元计算模态。例如，针对一塔根开7.5米、呼高45米、塔高62.5米的直线塔，根据上述方法计算获得的固有频率如表1所示。阶数一阶二阶三阶四阶五阶六阶固有频率值1.30871.30944.82145.08305.11749.6708表1同时，由于模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。因此，根据上述计算获得的各阶分别对应的固有频率值，可以获得各阶固有频率值分别对应的模态振型，各阶模态振型如图3-图8所示。通过分析模态振型可以发现，直线塔第一阶固有频率和第二阶固有频率接近，第四阶固有频率和第五阶固有频率接近。此外还可以发现，第一阶和第四阶振型表现为垂直线路方向摆动，第二阶和第五阶表现为沿着线路方向摆动，且第一阶、第四阶从塔腿至塔顶位移逐渐增大，第二阶在塔身中部位移比较大；第五阶在塔身中下部和中上部位移比较大；第三节和第六阶表现为以整塔几何中心线为轴的扭转振动，从塔腿至塔顶位移逐渐增大。步骤300，根据直线塔的结构尺寸以及各有限元计算模态，确定加速度传感器在直线塔上的布置点。本发明实施例中主要考虑直线塔的前六阶模态振型，根据直线塔的前六阶模态振型可以确定振动集中的位置。前六阶模态振型的振动主要集中在塔的上部(塔头)，在测试过程中横担11和地线支架12应选为主要测试位置。在塔身部分，为保证高的模态识别率，应适当布置一定数量加速度传感器。同时考虑到直线塔的结构尺寸特征，该直线塔结构对称性强，有六个横担11和二个地线支架12作为伸出部分，塔腿30至塔头10结构尺寸变化均匀。因此，结合上述有限元模态分析结果以及直线塔的结构尺寸特征，可以确定各加速度传感器布置点(测点)如图9所示，在直线塔上，一共设置了16个布置点(也称为加速度传感器的测试点)，其中，在塔头10部分，考虑到现场安装操作的安全原因，避免安装过程中距离挂线点距离太近发生触电事故，在塔头10部分设置了8个布置点，并且主要布置在横担11和地线支架12上，如图9所示，测试点t1-t6布置在六个横担11上，且位于横担11的中部；测试点t7、t8布置在地线支架12上，且位于地线支架12的中部。在塔身20部分，为保证高的模态识别率，在塔身20每层主材安装一个加速度传感器布置点(图9中测试点t9-t15)。为消除系统性误差，在塔腿设置参考布置点(图9中测试点t16)。步骤400，将加速度传感器安装在直线塔的所述布置点位置。具体地，根据步骤300确定的加速度传感器在直线塔上的布置点，将各加速度传感器分别安装在直线塔上的布置点上。从上述实施例可知，在本发明实施例提供的直线塔风振响应测试的加速度传感器布置方法中，先通过建立有限元模型，并针对有限元模型进行计算获得直线塔的前六阶固有频率和有限元计算模态，然后利用计算获得直线塔的前六阶固有频率分别对应的有限元计算模态，以及直线塔的结构尺寸特征，来确定加速度传感器在直线塔上的布置点，与现有技术中仅根据作业经验确定加速度传感器在直线塔上的布置点相比，加速度传感器在直线塔上的布置点的选定更加合理可靠，从而确保各加速度传感器所采集到的数据准确性和真实性，以便真实反映输电铁塔在强风环境中的风振响应情况，从而提高输电线路的运行安全。此外，由于本发明实施例考虑了直线塔的模态分析结果和结构尺寸特征，并考虑操作安全性，从而可以有效避免安装过程发生触电事故。进一步地，在上述实施例的基础上，将加速度传感器安装在直线塔的所述布置点位置之后，上述加速度传感器布置方法还包括：利用加速度传感器测得到各布置点的加速度数据信号fi(t,x)、fi(t,y)，i为布置点序号，i≤n，n为布置点数量，例如图9所示，布置点数量n＝16；t为时间，x为沿线路方向，y为垂直线路方向。以fn(t,x)、fn(t,y)为参考布置点，对余下布置点fi(t,x)、fi(t,y)做双通道快速傅里叶变换fft分析，得到余下各布置点相对参考布置点的导纳函数。其中，参考布置点设置在直线塔最底部的布置点，例如图9所示参考布置点为测试点t16，对应的参考布置点为f16(t,x)、f16(t,y)。利用导纳函数的曲线拟合，获得直线塔的试验模态。对比所述试验模态和所述有限元计算模态，验证有限元模型的正确性。采用上述方法，在利用加速度传感器测得直线塔被测位置的x、y、z三个方向的加速度之后，根据该加速度测试结果分析出直线塔的试验模态，然后与有限元计算模态对比，验证有限元模型的正确性，消除后期处理过程的系统误差。此外，根据频率响应函数在直线塔的固有频率处出现峰值的原理，从x方向频率谱图上识别出第二阶和第五阶的共振频率，并在此共振频率下，取各布置点与参考布置点的幅值谱之比作为该参考布置点的振型相对值；从y方向频率谱图上识别出第一阶和第四阶共振频率，并在此共振频率下，取各布置点与参考布置点的幅值谱之比作为该参考布置点的振型相对值，从而可以得到试验模态的振型相对值，对试验模态的振型相对值和有限元计算模态的振型相对值，可以进一步验证验证有限元模型的正确性。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12