[发明专利]输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种输电塔及导线结构的有限元分析方法，尤其是一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法。

背景技术

输电铁塔是架空输电线路的重要组成部分，起着支撑导线、地线及其他附件的作用。按其在线路中的用途，输电塔可分为直线塔、耐张塔、转角塔、换位塔、跨越塔和终端塔。根据其结构形式，自立式输电铁塔可分为上字型塔、鸟骨型塔、猫头型塔、酒杯型塔、干字型塔、六角型塔、伞型塔等。

输电塔功能与结构形式随线路电压等级、沿线地形、施工运行条件等各种因素变化而变化，形式繁多。正常运行过程中，在自重、风、雨(雪)、覆冰及气温等载荷作用下，铁塔都应该有足够强度以保证输电系统的正常运行；另外，在一些特殊的情况下，如导线断裂时铁塔也应该有足够的强度以防止由于断线而引起的进一步严重破坏。

输电铁塔在线路总投资中所占的比重很大，约为40％左右。铁塔一旦遭受破坏，将直接影响到整个电力系统的正常运行，不仅造成巨大的经济损失，甚至引起整个供电系统的瘫痪。近年来国家电网装机容量、电压等级不断提高，输电铁塔朝着高耸、大跨越及特高压方向快速发展。对铁塔可靠性、经济性提出了更高的要求。

自立式输电铁塔是由角钢或钢管连接而成的大型空间超静定桁架结构，其结构健康状况受到那些薄弱杆件的控制。在荷载作用下，输电铁塔整体受到轴向力、剪力和弯矩的共同作用，现行设计规范使用传统的工程算法，将输电铁塔单独作为隔离体，整体按压弯变截面构件计算。这种方法既难以考虑输电铁塔结构的细部特征，又无法考虑输电塔与导(地)线的相互作用和其他荷载的准确作用。由于无法得到输电铁塔各杆件具体详实的应力分布情况，导致输电铁塔的计算应力与实际运行情况存在较大的差异。同时，实际线路中正在运行的许多输电铁塔设计于上世纪80年代甚至更早，受到设计方法和分析手段的限制，难以全面细致地对设计结构进行分析与评定，无法全面考虑结构中每个构件的强度、刚度和稳定性问题，随着近年来极端气候的频发，一些投入使用较早的输电塔安全问题更加突出。由于其结构的差异性及在输电线路中的用途不同，在外部荷载作用下的受力状况有其自身固有的规律和特点，存在结构固有的相对薄弱环节。通过手工计算和进行真型实验来确定这些薄弱环节，不论从经济上还是实验手段上都是不现实的。

使用计算机模拟技术，基于非线性有限元理论，使用ANSYS有限元分析软件建立实际线路中各种塔型的“塔-线耦合”模型，分析体系在环境荷载及自身荷载作用下的静力特性，确定各类输电铁塔上固有的相对薄弱结构。但利用有限元软件与CAD软件接口直接引入输电塔线塔耦合体系结构CAD模型，往往导致模型的变化和产生过多庞大的节点数，以至于缺失数据，影响有限元分析的准确性和精度。而直接利用有限元软件建立输电塔线塔耦合体系有限元模型又需要花费大量的时间和精力，而该有限元模型抽象化的过程在很大程度上又依赖于有经验的分析人员。因此提出针对输电塔线塔耦合体系整体结构件有限元主动、快速、准确的参数化建模方法成为必然。

发明内容

本发明的目的是针对现有建立输电塔线塔耦合体系有限元模型的方法准确性差，精度低，耗费大量时间和精力，且依赖有经验的分析人员的现状，提供货一种通过对ANSYS二次开发，基于“框体拼接”建模方法实现对输电塔线塔耦合体系主动、快速、准确的参数化有限元模型的输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法，包括以下步骤：

第一步，简化框架结构，提取特征结构；

根据输电塔整体结构件的三维CAD模型，将组成输电塔整体结构的每个单节主动简化成标准的框式结构，对每个侧面及横隔面在库中选取对应的形式；

第二步，在计算机中建立特征结构的有限元模型库；

由于输电塔结构多是由角钢组成，由于角钢截面为非轴对称性截面，为保证分析精度，根据第一步所得的特征结构，采用BEAM188梁单元(该BEAM188梁单元是ansys软件设定的一种梁单元模型，可通过设定单元坐标系定义角钢具体截面形式)建立对应的侧面及横隔面有限元模型；同时对所建的模型通过交互式输入该模型的几何参数和单元参数自动生成；

所述模型的几何参数是指简化框架体的长度、宽度、高度及关键点坐标，用户可根据输电塔整体结构件三维CAD模型提供的每个简化框体的相关数据，挑选最为简便的输入方法确定该框体的几何形状；