一种输电塔环境模拟装置及使用方法与流程

本发明属于基建工程，具体是一种输电塔环境模拟装置及使用方法。

背景技术：

1、输电塔是电网基建工程中区域输电线路组网的重要组成部分，在输电塔的设计中，除了需要考虑塔身所处的地形外，还需要考虑服役过程中环境因素对输电塔物理状态的影响，包括地震作用下产生的倾覆、大风造成的倾斜变形、温湿度变化导致的塔身疲劳等，这些都会输电塔的正常运行。一旦输电塔在服役过程中出现结构损坏甚至倒塌，将会造成巨大损失，因此输电塔的优化设计是输电塔建设过程中的重要环节。

2、输电塔的建设选址因需求不同而不固定，在建设地域进行实地的环境因素影响实验难度较大，同时由于地震具有偶发性，只能通过模拟指定波形下的振动来模拟地震作用，因此通过模拟输电塔微缩模型在多种环境下的物理状态，对输电塔的优化设计、减小建设和运维成本具有重要意义。

3、对于地震波的模拟，一些装置设有专业的振动台，这种装置造价昂贵，不适合大规模普及，并且仅能模拟地震作用。其他较为简易的振动台则功能较少，仅能模拟单方向振动或者两个方向的随机振动，不能模拟给定方向的振动。对于环境模拟装置，只能实现风速、湿度和温度的简单模拟，环境因素单一，这种装置对于输电塔的环境模拟是不完全的，无法获得输电塔在服役环境中的真实物理状态。此外，数值分析是输电塔优化设计的重要手段，但是现有技术都是直接将数值分析结果用于优化设计，而数值分析结果的准确性和可靠性有待验证，而目前涉及输电塔模型数值分析结果验证的研究较少，因此本发明综合考虑现有技术的不足，提出了一种输电塔环境模拟装置及使用方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种输电塔环境模拟装置及使用方法。

2、本发明解决所述设计技术问题的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种输电塔环境模拟装置，包括模拟箱、连接弹簧、振动模块、控制模块、底座、监测模块和环境模拟模块；其中，振动模块包括一号电磁铁、二号电磁铁、三号电磁铁和四号电磁铁；

4、所述模拟箱位于底座的上方，模拟箱通过连接弹簧与底座连接；二号电磁铁和三号电磁铁位于模拟箱底部，一号电磁铁和四号电磁铁与底座连接，一号电磁铁对着二号电磁铁，四号电磁铁对着三号电磁铁，成对的电磁铁通电产生电磁力，实现模拟箱在x、y两个方向上的移动，间歇性的通电即可实现模拟箱的振动，以模拟受到简易地震波产生的振动；模拟箱的底板上安装有输电塔模型，监测模块和环境模拟模块安装在模拟箱内，监测模块用于监测模拟箱的环境参量是否达到待模拟的输电塔服役环境参量的设定值以及输电塔模型在振动过程中的速度和位移；环境模拟模块用于提供待模拟的输电塔服役环境；控制模块分别与振动模块、环境模拟模块和监测模块。

5、进一步的，所述环境模拟模块包括微型风扇、微型加湿器和加热棒，模拟箱的四个侧壁上均安装有微型风扇，微型风扇正对输电塔模型，微型加湿器和加热棒均安装在模拟箱内，以模拟输电塔服役环境受到的风、湿度和温度；监测模块包括风速传感器、湿度传感器、温度传感器、速度传感器和位移传感器。

6、进一步的，所述模拟箱的顶板和四周侧壁均采用透明板制成，实现输电塔模型物理状态的可视化展示。

7、进一步的，该装置还包括与控制模块连接的操控终端，用于参数输入和监测数据显示。

8、另一方面，本发明还提供一种输电塔环境模拟装置的使用方法，包括以下内容：

9、(1)将输电塔服役环境的风速、湿度和温度作为待模拟环境，将风速分解为x、y两个方向，环境模拟模块的微型加湿器、加热棒以及相应的微型风扇通电，监测模块的风速传感器、湿度传感器、温度传感器分别测量风速、湿度、温度，并实时反馈给控制模块；当风速、湿度和温度达到设定值时，微型风扇以当前转速继续匀速转动，微型加湿器与加热棒断电，使模拟箱内的环境恒定并与输电塔服役环境保持一致；

10、(2)模拟地震波的横波时，地震波等效为振动加速度随时间的变化曲线，将振动加速度分解为x、y两个方向的加速度ax和ay，计算模拟箱受到的x、y两个方向的电磁力fx和fy，根据电磁力与电压的关系，计算x、y两个方向的电压ux和uy；控制模块控制电源输出电压ux和uy，根据电压ux对一号电磁铁和二号电磁铁间歇性通电，根据电压uy对三号电磁铁和四号电磁铁间歇性通电，使模拟箱产生振动，实现输电塔模型的振动；监测模块的速度传感器和位移传感器测量输电塔模型在振动状态下的速度和位移；

11、(3)对输电塔模型进行数值模拟；利用有限元分析软件建立与输电塔模型相同的有限元模型，对有限元模型添加与装置相同的力学边界条件，包括风速、湿度、温度和振动加速度；通过有限元分析，得到数值模拟结果，包括输电塔模型的受力、速度和位移；

12、(4)通过调整有限元模型，使得数值模拟的速度和位移与装置模拟的速度和位移一致，进而得到正确的有限元模型；

13、(5)利用装置和有限元模型相结合的方式模拟多种服役环境，得到输电塔的物理状态和受力，构建数据库，为输电塔的优化设计提供理论数据。

14、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

15、(1)本发明不仅可以模拟输电塔服役环境的常规影响因素，例如风速、温度和湿度，还可以模拟输电塔在简易地震波作用下的物理状态，即将指定波形的振动分解为x、y两个方向受到的加速度，将加速度转换为成对的两个电磁铁之间的电磁力，基于电磁振动原理实现模拟箱的振动。相较于现有的地震波模拟装置笨重的特点，本发明装置的结构简单，造价更低，适用性更强。

16、(2)该装置可以实现输电塔模型物理状态的可视化展示，但是无法获知输电塔受到服役环境作用后的受力分布，因此通过装置模拟与数值模拟相结合的方式实现物理状态与受力分布的映射，得到准确的有限元模型，构建了一种新型的、完整的输电塔环境模拟装置的展示-数值分析方法，以较低的经济成本和时间成本对输电塔结构进行验证和分析，降低输电塔的设计成本，同时降低建设和运维风险。

17、(3)在施加风速条件时，根据输电塔模型的实际受风面积进行风速折减，将输电塔模型与实际输电塔的受风面积之比作为折减系数，将待模拟的实际风速乘以折减系数即为输入的风速值，使得输电塔模型受到的风速与服役环境的风速保持一致。

18、(4)本发明提供了一种输电塔环境模拟装置与方法，利用模拟装置和有限元模型可以模拟更多服役环境下，输电塔的宏观物理状态和数值模拟结果，构建数据库，为输电塔结构设计及选材的优化提供数据支撑。

技术特征：

1.一种输电塔环境模拟装置，其特征在于，该装置包括模拟箱、连接弹簧、振动模块、控制模块、底座、监测模块和环境模拟模块；其中，振动模块包括一号电磁铁、二号电磁铁、三号电磁铁和四号电磁铁；

2.根据权利要求1所述的输电塔环境模拟装置，其特征在于，所述环境模拟模块包括微型风扇、微型加湿器和加热棒，模拟箱的四个侧壁上均安装有微型风扇，微型风扇正对输电塔模型，微型加湿器和加热棒均安装在模拟箱内，以模拟输电塔服役环境受到的风、湿度和温度；监测模块包括风速传感器、湿度传感器、温度传感器、速度传感器和位移传感器。

3.根据权利要求1所述的输电塔环境模拟装置，其特征在于，所述模拟箱的顶板和四周侧壁均采用透明板制成，实现输电塔模型物理状态的可视化展示。

4.根据权利要求1所述的输电塔环境模拟装置，其特征在于，该装置还包括与控制模块连接的操控终端，用于参数输入和监测数据显示。

5.一种权利要求1～4任一所述的输电塔环境模拟装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

6.根据权利要求5所述的输电塔环境模拟装置的使用方法，其特征在于，将输电塔模型的受风面积与实际输电塔的受风面积之比作为折减系数，输电塔服役环境的风速乘以折减系数即为输电塔模型受到的风速。

技术总结
本发明为一种输电塔环境模拟装置及使用方法，装置包括模拟箱、连接弹簧、振动模块、控制模块、底座、监测模块和环境模拟模块；振动模块包括一号电磁铁、二号电磁铁、三号电磁铁和四号电磁铁；模拟箱位于底座的上方，模拟箱通过连接弹簧与底座连接；二号电磁铁和三号电磁铁位于模拟箱底部，一号电磁铁和四号电磁铁与底座连接，一号电磁铁对着二号电磁铁，四号电磁铁对着三号电磁铁，成对的电磁铁间歇性通电实现模拟箱的振动；模拟箱的底板上安装有输电塔模型，监测模和环境模拟模块安装在模拟箱内，监测模块用于监测模拟箱的环境参量是否达到待模拟的输电塔服役环境参量的设定值以及输电塔模型在振动过程中的速度和位移；环境模拟模块用于提供待模拟的输电塔服役环境。本发明构建了一种新型的、完整的输电塔环境模拟装置的展示‑数值分析方法，为输电塔结构设计及选材的优化提供数据支撑。

技术研发人员：齐立忠,孙小虎,刘海波,张亚平,马唯婧,张卓群,韩文军,张苏,吴爱国
受保护的技术使用者：国网经济技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12