[发明专利]一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种输电钢管杆有限元参数化建模和力学计算的方法。 

背景技术

输电钢管杆为单杆结构，在城市送电线路工程中承受导线各种工作条件下的作用力，由于设计档距较小，排布较为密集，用量较大。钢管杆造价受到荷载大小、制造工艺、施工方法、运输距离、运行维护等因素的影响，在设计中应综合考虑上述因素。 

通常输电钢管杆为变截面杆，截面形状为正4、6、8、12、16边形或圆形，横担结构为正6边形椎体或4边形偏心椎体，筒节与筒节、筒节与横担之间由法兰连接。设计时通常控制钢管杆整体挠度和筒体最大应力在限定的范围内。 

目前在输电钢管杆设计方面存在的主要问题是：①钢管杆建模不规范，对变截面椎体杆形状和有限单元网格控制不严密；②荷载计算与实际工况存在偏差，不能有效的模拟冰、风、断线等工况；③计算数据较为单一，不能对筒节、法兰等部件重量进行计算，不能对关注点截面进行全面的力学分析。由于这些原因，在实际工程中钢管杆存在重量偏差较大、挠度超标等问题，这严重影响了输电线路安全性和可靠性。 

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元计算软件。由于ANSYS软件是进行有限元分析的通用性软件，其对具体项目分析的针对性较差。除此之外，ANSYS软件复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事输电钢管杆力学计算的技术人员造成很大的障碍。ANSYS软件除了具有较为完善的有限元分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具，其中APDL语言就是一种参数化设计解释性语言，通过由APDL语言编写的命令组成的APDL命令流文件可以调用ANSYS软件中的相应功能，从而自动完成分析任务。应用APDL命令实现ANSYS软件针对输电钢管杆力学计算的二次发，提高ANSYS软件针对钢管杆建模和力学计算的专业性和针对性，从而提高电力技术人员在钢管杆力学计算的效率和质量。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，解决现有输电钢管杆建模粗糙、精度低、准确性差的问题，提高输电钢管杆力学计算的效率和质量，为输电钢管杆设计提供指导，提高输电线路安全性和可靠性。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种输电钢管杆的有限元参数化建模方法，该方法为： 

1）识别输电钢管杆各部件的特性参数，建立输电钢管杆筒节与横担参数数组、输电钢管杆筒节几何参数数组、输电钢管杆横担几何参数数组、法兰参数数组、导地线参数数组和输电线路参数数组；

2）将上述各参数数组作为有限元分析软件的输入，建立输电钢管杆有限元模型，并对模型的节点、单元、截面型式、材料、结构型式进行复核；

3）计算输电钢管杆各筒节两端截面的特性参数，并将实际计算结果与理论计算数据进行对比分析，验证上述有限元模型的正确性；若所述有限元模型不正确，则返回2）；否则，进入4）；

4）设置以下计算条件：风速、风向、温度、覆冰厚度以及断线，根据设置的计算条件加载荷载，并计算输电钢管杆的最大计算应力、挠度，以及筒节、法兰的重量；

5）根据上述步骤4）的计算结果，获得输电钢管杆的应力云图和变形图。

所述步骤1）中，输电钢管杆筒节与横担参数数组元素包括筒节数量或横担数、横担截面多边形边数、筒节及横担整体长度单元尺寸、横担截面多边形单边划分后的单元数（通常网格越多，计算的精度越高,但消耗的资源越大,时间也越长,效率偏低,兼顾计算精度和效率, 通常将横担截面多边形单边划分为2～4个单元）；输电钢管杆筒节几何参数数组元素包括筒节高度、壁厚、上端内对边距、下端内对边距、横担设置点；输电钢管杆横担几何参数数组元素包括横担长度、壁厚，尾端边长、始端边长、横担高度；法兰参数数组元素包括法兰内直径、法兰外直径、法兰板厚、螺栓孔径、螺栓数量；导地线参数数组元素包括导地线直径、单位重量、拉断力、分裂数、安全系数、张力系数、覆冰后导地线外径；输电线路参数数组元素包括输电线水平档距、垂直档距、前档应力、后档应力。 

所述步骤3）中，输电钢管杆各筒节两端截面的特性参数包括截面面积、截面惯性矩、计算点在X、Y轴的投影长度、回转半径、最大弯曲或最大扭转剪应力计算参数。此处的截面是指输电钢管杆任一横截面；所述计算点是指筒节截面的边与边的交点。 

所述步骤3）中，验证有限元模型正确性的公式为：（实际计算结果-理论计算数据）/理论计算数据*100%<5%。