[发明专利]不受外界环境因素制约的非线性柔性构件的应力计算方法

说明书

本申请是申请号：201410425896.8、申请日：2014.8.26、名称“输电铁塔非线性柔性构件的应力计算方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种对输电铁塔柔性构件进行结构力学分析并可精确获取铁塔上任意点应力的方法，属于输电线路运行状态安全评价领域。

背景技术

输电线路是国家电力工业及相关企业赖以生存的通道，对于输电线路的安全评价对于整个电力系统稳定运行有着至关重要的作用。由于电力工业的不断发展与革新，输电线路的等级越来越高，经过的地形也越发的复杂，容易受到自然地理条件和社会情况等一系列复杂情况的干扰，线路的稳定运行受到了极大的危害。因此，国内外的专家学者对此研究也在不断前进，对线路各个方面进行了评价。

针对08年特大冰雪灾害，业界和学界专家普遍认为电网缺乏科学有效的防灾减灾事故预警综合体系等是停电事故发生的重要原因之一。建立这一体系的关键是对输电线路的安全状态给予科学评价。当前相关研究主要通过应用拉力传感器，设计在线应力监测装置。由于硬件成本、装置本体易受外力破坏等影响因素，其进一步推广应用受到了制约。开发一种零硬件成本、无环境制约、可复用在所有运行输电线路的结构安全评价系统成为了电网安全运行的当务之急，其中对铁塔杆件进行精确的应力分布计算是其中的关键。

针对输电铁塔的应力分布分析计算，见诸公开报导的技术路线均是对铁塔结构进行多次简化等效，将铁塔所受载荷进行简单的分解或叠加，并忽略铁塔结构的弹性形变。此种分析方法给出的结果，无法为安全评价提供准确地应力数据。从力学分析的角度考虑，不精确。且对于输电铁塔的安全评价仅仅是基于一些假设条件，以及进行了线性化近似处理，并将铁塔各处的受力及位移形变都归结到铁塔模型化之后的节点上。而实际的情况复杂很多，并不是模拟出的线性化模型，也并非故障点就在杆塔节点上。因此，有必要对实际的杆塔情况进行更加准确和合理的建模，采用更精确的方法对整个杆塔的各部位情况进行分析与评价。

基于上述分析，本发明提出了更贴近实际杆塔构造与运行状态的模型，通过采用有限元增量法和牛顿迭代法修正铁塔构件单元的刚度矩阵以及载荷矩阵，并引入拉格朗日差值函数，以获取更加精确的铁塔构件结构力学。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出输电铁塔非线性柔性构件的应力计算方法，用于分析计算铁塔每根杆件的应力，包括如下步骤：

步骤1：确定输电铁塔的结构模型和材料模型；

步骤2：针对铁塔每个构件单元和节点位移，分别生成单元刚度矩阵[k]^(e)和节点位移阵列并将铁塔所受均布载荷和非节点载荷等效移置到节点上，形成节点载荷阵列

步骤3：采用有限元增量法和牛顿迭代法修正步骤2中所获得的铁塔构件单元的刚度矩阵以及载荷矩阵，并计算出铁塔构件单元的位移矩阵；

步骤4：对输电铁塔杆件的受力进行稳定性和强度验算；

步骤5：根据载荷矩阵和已获得的铁塔构件的位移矩阵，分别进行拉格朗日插值计算，得到铁塔整体的载荷和位移。

其中，步骤1中的输电铁塔的结构模型是将杆塔视为三维空间桁架，且空间桁架的杆元都是二力杆元，在结构受力中只受轴向力，并以非线性单元作为分析对象；材料模型为铁塔结构中存在柔性杆件的复杂铁塔。

步骤2中的节点位移阵列和单元刚度矩阵[k]^(e)以及节点载荷阵列分别为：

1)点位移阵列的表达式为：