[发明专利]一种基于覆冰偏心作用的覆冰导线舞动数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于覆冰偏心作用的覆冰导线舞动数值模拟方法，采用梁单元分别创建导线线路段模型和覆冰线路段模型，并为导线梁单元和覆冰梁单元赋予截面特性，建立与实际覆冰导线截面一致的覆冰导线有限元模型，使舞动响应数值模拟的过程中加入了覆冰载荷惯性力和覆冰导线截面的非对称性对覆冰导线整体结构的影响，更精确地描述了偏心覆冰导线在舞动过程中的扭转特性，提高了舞动数值模拟结果的准确性，且覆冰截面的建立，能够给出舞动过程中导线和覆冰截面的应力分布，可进一步用于舞动过程中导线强度和覆冰破坏的研究，为导线的舞动研究及防舞设计提供更为科学和准确的指导意见，进而为输电线路的安全运行提供更为强大和全面的保障。

主权项

1.一种基于覆冰偏心作用的覆冰导线舞动数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：/nA：获得覆冰导线的气动载荷G：通过实验获取不同风攻角度α下覆冰导线的升力气动系数C_L(α)、阻力气动系数C_D(α)和扭矩气动系数C_M(α)，将C_L(α)代入公式(1-1)计算求得升力F_L，将C_D(α)代入公式(1-2)计算求得阻力F_D，将C_M(α)代入公式(1-3)计算求得扭矩F_M，即获得基于C_L(α)、C_D(α)或C_M(α)下的覆冰导线的气动载荷G：/n /n /n /n /n其中，ρ_air为空气密度，U_z为风速，d为裸导线的直径；/nB：采用ABAQUS有限元软件生成包含描述覆冰截面特性的结构特征参数的bsp文件；包括以下步骤：/nB1：在ABAQUS有限元软件中创建二维的自定义形状的覆冰截面，为覆冰截面赋予包括冰密度、弹性模量以及泊松比在内的材料参数并进行网格划分，生成覆冰截面inp文件；/nB2：对覆冰截面inp文件进行修改，生成梁截面并定义梁单元在梁截面中的位置，指定梁截面中需要输出的截面积分点；/nB3：提交修改后的覆冰截面inp文件，ABAQUS软件自动生成一个包含描述截面特性的所有结构特征参数的bsp文件；/nC：采用ABAQUS有限元软件分别建立覆冰线路段模型和导线线路段模型，并为覆冰线路段模型和导线线路段模型赋予相应的截面特性，进而完成基于覆冰偏心作用的覆冰导线的有限元模型的创建，生成覆冰导线的线路段inp文件：包括以下步骤：/nC1：采用梁单元分别对导线和覆冰进行模拟，建立覆冰线路段模型和导线线路段模型；/nC2：基于建立的覆冰线路段模型和导线线路段模型，生成包含覆冰线路段模型参数信息和导线线路段模型参数信息的线路段inp文件；/nC3：修改步骤C2中的线路段inp文件，在ABAQUS有限元软件数据库中选取圆截面，为导线梁单元赋予相应的截面特性，创建导线截面的有限元模型；/nC4：修改步骤C3中的线路段inp文件，读取步骤B中bsp文件的结构特征参数为覆冰梁单元赋予相应的截面特性，创建覆冰截面的有限元模型；/nC5：通过ABAQUS软件中的连接关系Tie将位于导线截面有限元模型形心位置的导线梁单元与位于覆冰截面有限元模型形心位置的覆冰梁单元进行连接，完成覆冰导线的有限元模型的创建，生成覆冰导线的线路段inp文件，经修改后的覆冰导线的线路段inp文件包含了覆冰线路段和导线线路段的完整信息；/nD：编写气动载荷单元，在步骤C中的覆冰导线的线路段inp文件中添加与导线梁单元共节点的气动载荷单元，得到包含气动载荷的线路段inp文件，所述气动载荷单元的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C均为零；覆冰导线在舞动过程中的风攻角α由公式(3)确定：/n /n其中，θ为覆冰导线的扭转角，R为特征半径，为扭转角速度，为垂直方向的速度；气动载荷单元实时读取覆冰导线在运动过程中的θ、R、和利用式(3)计算覆冰导线当前风攻角α，再通过公式(1-1)、(1-2)、(1-3)和(2)确定作用在各个节点上的气动载荷G；/n步骤D中添加气动载荷单元的过程通过以下步骤实现：/nD1：在步骤C中的线路段inp文件定义气动载荷单元的单元节点数量、各节点坐标数量、单元类型和单元求解的变量个数；/nD2：定义气动载荷单元与导线的共节点关系；/nD3：创建自定义的气动载荷单元集合；/nD4：定义气动载荷单元的单元属性，该属性仅作为传递变量用于编写的用户单元子程序UEL调用；/nE：利用fortran软件，编写气动载荷单元对应的用户单元子程序UEL，得到实现气动载荷G的计算和施加的用户单元子程序for文件，实现将步骤A中计算得到的覆冰导线的气动载荷G施加在步骤C创建的覆冰导线的有限元模型中；具体实现过程包括以下步骤：/nE1：用数组AMATRX定义单元平衡方程的雅可比矩阵，用数组RHS定义单元平衡方程的右边项，RHS数组中第一列为残差向量，第二列为单元外载荷增量，其形式为RHS(K1，K2)，K1表示单元的第K1个自由度，K2表示载荷余量；/nE2：采用ABAQUS软件中的Standard模块隐式算法求解覆冰导线的舞动过程，该模块隐式积分采用Hilber-Hughes-Taylor方法，其动态平衡方程与余量方程分别由下两式给出/n /n /n式中M为质量矩阵，G_t+Δt为当前时刻的内部状态变量，G_t为上一时刻的内部状态变量，是当前时刻的加速度，v为数值阻尼，F为余量矩阵；/nE3：在ABAQUS的用户单元子程序UEL中，对应的有/n /n /n其中，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，为加速度，u为位移，为速度；/nE4：由于步骤D中编写的与用户单元子程序UEL对应的气动载荷单元的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C均为零，代入式(6)和式(7)即为：/nAMATRX＝0 (8)/nRHS＝(1+v)G_t+Δt-vG_t＝F (9)/n此处当前时刻的内部状态变量G_t+Δt在此处表示当前时刻的气动载荷，上一时刻的内部状态变量G_t在此处表示上一时刻的气动载荷，将气动载荷G的计算公式(2)代入公式(9)，即实现覆冰导线随风攻角α变化的气动载荷G的计算和施加；/nF：ABAQUS有限元软件将步骤D获取的包含气动载荷的线路段inp文件和步骤E中获取的用户单元子程序for文件进行自动关联，实现覆冰导线在当前气动载荷G下的舞动动力响应的数值模拟。/n