[发明专利]瓷绝缘子机械性能评估的有限元分析方法和系统

权利要求书

1.一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：建立单片瓷绝缘子几何模型；

S2：基于单片瓷绝缘子几何模型建立瓷绝缘子串计算模型，将模型上的铁塔端部、导线端部、绝缘子串中间以及含缺陷的绝缘子所在位置处的绝缘子进行实体建模，其余的绝缘子采用梁单元进行建模；采用悬链线方程建立输电导线模型；

S3：将步骤S2中所建立的瓷绝缘子串计算模型和输电导线模型进行装配，装配采用多点约束算法MPC，形成瓷绝缘子串-输电导线耦合模型；

S4：对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型进行有限元网格剖分；对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型定义边界、施加载荷、设置接触关系；

S5：在步骤S4中定义的边界、施加载荷、设置接触关系的基础上，将瓷绝缘子串-输电导线有限元模型提交计算；

S6：提取计算结果，评估瓷绝缘子机械性能；

所述步骤S2中采用悬链线方程建立输电导线模型具体包括以下步骤：

S2-1：输电导线在自重荷载作用下呈悬链线形态，其几何形态采用悬链线方程描述：

式中：y为计算点纵坐标，x为计算点的横坐标，T是导线的水平张力，q为导线单位长度所受重力，H为跨距，V是导线两端挂点高差；

S2-2：对式(1)沿曲线积分，求得输电导线的长度s为：

S2-3：根据水平张力及重力作用下导线的弹性应变，可求得导线的弹性伸长量Δs为：

S2-4：由式(3)和式(4)可以求得，无应力形态输电线长度s₀为：

s₀＝s-Δs (5)

S2-5：将T代入式(2)可计算出β，然后由式(5)得到在不受应力作用下的导线长度s₀，再把s₀代入式(3)求得无应力状态下的β₀，最后通过式(1)便可建立无应力状态输电线的有限元模型，施加重力荷载后便为输电线的实际形状；

所述步骤S4中施加的载荷包括风荷载、覆冰荷载和地震荷载，其中风荷载由下列公式求出：

W₀＝ρv²/2

p_h＝αW₀μ_zμ_scd sin²θ

其中，W₀为基准风压标准值；ρ为空气密度；v为风速；p_h为垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载值；α为风压不均匀系数；μ_z为风压高度变化系数；μ_sc为导线的体型系数；d为导线的外径，分裂导线取所有子导线外径总和；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；

覆冰荷载由下列公式求出：

q_a＝0.6·b·α₂·γ·10^-3

其中，q_a为单位面积上的覆冰载荷；b为基本覆冰厚度；α₂为覆冰厚度的高度递增系数；γ为覆冰重度；

地震荷载由下列公式求出：

式中：γ＝0.9+(0.05-ξ)/(0.3+6ξ)，η₁＝0.02+(0.05-ξ)/(4+32ξ)，η₂＝1+(0.05-ξ)/(0.08+1.6ξ)，α为地震影响系数；α_max为地震影响系数最大值；T为结构自振周期；γ为曲线下降段的衰减指数；ξ为结构阻尼比；η为下降段斜率调整系数；η₂为阻尼调整系数。

2.根据权利要求1所述的一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：所述步骤S2中瓷绝缘子串计算模型的建立方法为：将梁单元的长度等效为绝缘子片高度，梁截面采用圆形截面，上段取其直径为绝缘子片钢帽平均直径，下段取其直径为绝缘子片钢脚处直径，单元材料性质与钢帽、钢脚相同，梁单元质量等于绝缘子片质量，形成瓷绝缘子串计算模型。