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某高耸钢塔架结构的简化计算模型研究毕业论文

 2020-02-17 01:02  

摘 要

Abstract VII

第一章 绪论 1

1.1课题研究的目的与意义 1

1.2课题国内外研究现状 2

1.2.1输电塔线体系建模方法研究现状 2

1.2.2输电塔线体系风振响应研究现状 4

1.3本文研究内容 6

第二章 高耸钢塔架简化模型建立及设计方法 8

2.1输电塔概况 8

2.2道亨简介 10

2.2.1道亨模块 11

2.2.2运用道亨软件建模操作流程 11

2.3风荷载计算理论 11

2.3.1输电杆塔风荷载计算理论 11

2.3.2输电线风荷载计算理论 13

2.4输电线挂点处荷载计算 14

2.5鼓形跨越塔内力和变形设计 15

2.6本章小结 16

第三章 杆单元模型 17

3.1杆单元模型介绍 17

3.2不同风向角下杆单元应力和位移 18

3.2.1主材杆件的应力 18

3.2.3某根主材上不同高度节点的位移对比 20

3.3本章小结 24

第四章 梁单元模型 25

4.1梁单元模型介绍 25

4.2.1主材杆件的应力 28

4.2.2输电塔某根主材上不同高度各点位移对比 29

4.3梁单元杆单元对比 32

4.3.1应力对比 32

位移对比 33

本章小结 35

第五章 所做工作与展望 36

5.1每章所做工作 36

5.2展望 36

参考文献 37

摘要

高耸塔架的结构时常暴露在风霜雨雪当中,并在风致作用下容易发生破坏和变形,甚至倒塌。近年来,我国部分沿海地区常常有高耸输电杆塔在强风作用下破坏倒塌的报道,这些事故中输电线路时常发生破坏,甚至严重影响供电系统,造成经济损失。本文介绍了我国目前输电杆塔设计过程所采用的简化方法。我主要使用用其中简化计算方法是把输电塔和输电线分开考虑,直接把输电线对输电塔所造成的影响简化为挂点集中力。精确方法是建立输电塔线有限元分析模型,基于输电杆塔实际受荷情况。

本文利用国内输电塔现有计算条件,利用道亨软件建立道亨简化三维模型,并根据规范设计风荷载相关理论和内力以及变形设计,利用 ABAQUS 和道亨软件分别建立了输电塔线体系的三维模型,进行相关的数值模拟计算,并将结果进行比对。其中主要计算了在0°、45°、60°和90°风向角这四个工况下简化模型和精确模型相关杆件的应力和点号的位移等。

本文的研究对象是实际工程当中的高耸输电杆塔,其中包括介绍了该实际输电杆塔情况,包括节点层,塔高,横担位置,杆件选材和主塔身结构以及输电线的详细信息建立高耸钢塔架塔的有限元模型。

受到技术与时间的限制,本文所取的是输电塔的只是单塔的模型,本人进行数值模拟计算得到了输电塔的应力以及位移数据,然后再进行数据处理和相关整理,用origin图形处理软件画图,再进行结果分析。

关键词 :高耸输电杆塔;道亨;ABAQUS;简化模型;精确模型;风向角

Abstract

The towering tower structure has long been exposed to the wild, and it is prone to damage, deformation and even collapse under strong wind.In recent years, in some coastal areas of China, there are often reports of towering transmission towers under the action of strong winds. In these accidents, there have been many settlements on the transmission lines, such as settlement slopes or cracking of members.

This paper introduces the simplified calculation method and accurate method adopted in the design process of China's transmission tower.The simplified calculation method is that the transmission tower and the transmission line are considered separately, and the influence of the transmission line on the transmission tower is simplified to the concentration of the hanging point.The precise method is to establish a finite element analysis model of the transmission tower line.Based on the actual load condition of the transmission tower, the space rod unit or the space beam unit is used for simulation.

In this paper, using the existing calculation conditions of domestic transmission towers, Daoheng software is used to establish Daoheng simplified three-dimensional model, and wind load related theory and internal force and deformation design are designed according to the norm. The three-dimensional transmission line system is established by using abaqus and Daoheng software respectively. The model is subjected to relevant numerical simulation calculations and the results are compared.Among them, the stress and the displacement of the point of the simplified model and the accurate model-related members are calculated under the four operating conditions of 0°, 45°, 60° and 90° wind direction angles.

The research object of this paper is the towering transmission tower in actual engineering, including the introduction of the actual transmission tower, including the node layer, tower height, cross-arm position, rod selection and main tower structure, and detailed information of the transmission line. Finite element model of a steel tower tower.

Limited by technology and time, this paper takes only the single tower model of the transmission tower. I calculated the stress and displacement data of the transmission tower by numerical simulation, and then processed the data and related finishing, using the original graphics processing software. Draw a picture and then analyze the results.The work done in this paper provides a reference for the in-depth study of the transmission tower line system under strong winds.

Key words: towering transmission tower; Daoheng; abaqus; simplified model; accurate model; wind direction angle

第一章 绪论

1.1课题研究的目的与意义

在今时今日,电力对我们影响极其深远,电的发现使现代生产力得到了很大程度的提高,而我国占地面积巨大,因而需要大规模地架设输电线路,才能保证各个地区得到合理的电力配送。同时,电力系统推进了经济的快速发展,实现能源优化配置,因此,输电塔的建设对改善人民生活、促进社会发展起着至关重要的作用。

作为电力配送重要组成部分,高耸输电杆塔时常架立于复杂地形地带,一年四季受气温变化、风、冰和闪电等气象状况影响。这些状况通常伴随着事故,甚至使整个供电系统瘫痪。通常,雨水难以附着在输电塔线上,而雪的密度较小,这些气象条件对线路影响小,我们还能通过防雷措施来避免雷暴的影响。由于风、冰和温度对输电线的强度和刚度有较大影响,因此它们被称为线路设计中的主要气象参数。其中,风作用在输电塔线上会形成风压,产生水平向上的荷载。风压随着风速的增大而增大,风荷载越大,输电线的应力增大,输电塔上将产生附加弯矩,从而导致断线、输电塔倒塌的事故。输电塔是运输电能的重要方式,同时也是十分钟重要的工程,如果被破坏,电力系统不仅将会面临瘫痪的境地,甚至会产生严重的自然灾害,影响人们正常生活及国家正常的发展建设,更会造成重大经济损失。

本人查阅了相关资料发现,国内外由强风造成的危害较大,产生的直接和间接经济损失十分巨大。2009年,在镇江王巷村附近,500KV的5291江晋线镇江段五基输电铁塔风致倒塌,破坏现场风速最高达33m/s,这起事故导致江苏电网500KV北电南输通道稳定输送能力下降70万千瓦。2000年,黑龙江省遭受龙卷风的袭击,倒塌了10座输电塔,造成了电力供应出现严重问题,直接经济损失十分巨大。2005年,江苏省的五架输电杆塔在台风下倒塌,并引发次生灾害。2017年,台湾花莲和平电厂位于宜兰县东澳的输电铁塔遭遇瞬时风力达到14级的尼莎台风,致使输送电主塔倒塌,电塔从基座折断,前后塔也受到拉扯,整排电塔歪斜。由此可以看出,风荷载引起的输电塔事故造成的经济损失是巨大的。输电塔线作为运输电能的生命线工程,若其遭到破坏,电力系统将瘫痪,国家财产将造成重大损失,人民生命安全将无法得到保障。研究输电塔抗强风能力,研究输电塔线的破坏过程,弄清楚结构为什么会发生破坏并提出相关的性能评估方法和手段,分析输电线路的抗风能力,预见存在的潜在危险确保输电线路结构安全性具有重要意义,这种想法可极大地改善输电线路杆塔的防风防灾能力,并能在一定程度上减少因强风作用导致的输电塔线结构倒塌事故,维护国民的生活秩序,避免巨大经济损失。

而对于精确的计算需要建立高耸钢塔架的有限元模型,而这种苛刻的条件对于大多数前线技术员难以实现,因而进行与精确计算的结果相差不多的高耸钢塔架的简化计算模型研究十分必要,并以此为依据进行输电塔体系的优化。例如输电塔的路线选择,实际的工程上的摆放,如何更有利于输电塔的安全性,提高输电塔的结构本身的性能,从而满足使用要求。

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图1-1风致输电塔倒塌图

1.2课题国内外研究现状

1.2.1输电塔线体系建模方法研究现状

输电杆上各构件间的构造关系与结构本身力学特征多种多样,这些都令输电塔模拟研究较为复杂。针对输电塔的结构特点,首先建立输电塔模型,国内外学者在对输电塔线体系结构分析时,对输电塔结构和输电线侧重点不同,建模方法也有所差别,由此国内外研发了高效而强大的建模软件,可视化的模拟分析结构的响应。

国内外学者针对组成输电塔线体系构成组件的特性,通常更多的是采用有限元分析软件进行单元模拟。有限元法是用离散连续的求解区域按某种特定方式相互连接在一起的单元组合体,将模型进行单元划分,提高问题求解精度,能够准确得到结构受力情况。国内外学者通过有限元软件根据模型材料的特性定义其基本单元属性,从而进行结构分析。同时有限元分析可以将连续无限自由度问题转化成有限自由度问题,能够很好的解决非线性问题,有限元软件不仅可以精确建模,还可以对结构进行静力分析、模态分析、动力学分析和谱分析等。

随着二十一世纪的信息化技术的发展创新,输电塔的设计技术也得到很大的发展,经过长期研究铁塔构件的组成及数字化方法,国内设计院大多采用自主研发的铁塔三维实体建模软件。三维实体建模软件中有三维图使用、实体成型、渲染图形等功能,并且提供数字化的模板,可以通过相关软件的计算成果,读取并分析相关软件产生的角钢、螺栓等组件的数据,加上模型的加工要求,在此基础上会生成输电塔的三维实体模型。在建立输电塔实体模型之后,软件会依据相关的国家设计规范,输出整个输电塔体系的加工图。三维实体建模软件强大的功能为我国输电塔研究开启了里程碑。

Irvine(1981)利用相关软件建立了连续体模型,模型以索的刚度为对照,研究了索塔的动力响应和特点,这种方法计算较复杂,但是精度较高]

杨锋利(2013)采用有限元方法,将输电塔和输电线等看成一个整体系统,分别进行风荷载动力特性分析。分别使用有限元法和弧长法计算输电线张力,研究了输电塔不平衡张力的变化规律。

李宏男等人(1996)经过大量研究,提出了输电塔线体系多质点模型,使用有限元法对各组件进行分析,输电线简化成多个刚性连接的集中质点模型,塔线体系简化为多个集中质量的多自由度结构,进行输电塔线体系的动力响应分析

Rao等人(1998)通过ANASYS软件建立单塔模型,稍加修改平方和开方法(SRSS),分析模型动力特性,并提出优化设计。

Suzuki(1992)采用简化的动力弹簧来模拟相邻输电塔间的输电线,并对输电塔线体系缩尺模型进行动力响应分析。

Battista(2003)建立三维有限元模型,采用频域法分析输电塔线体系的动力特性和稳定性。非耦联结构采用振动组合法,耦联结构采用振型分解反应谱法,计算结构位移响应[15]

1.2.2输电塔线体系风振响应研究现状

风具有不确定与时变等特点,输电塔是高耸高柔结构,属于风敏感结构。结构在风荷载的作用下动力响应强烈,这些造成输电塔线体系风荷载计算时较为复杂。模拟风振效应,有数值模拟、现场试验等方法,国内外得到很多成果。

Loredo-Souza等人(2001)为模拟输电塔线体系的风洞试验,对输电线进行两次缩尺,可以明显地看出输电塔线体系的风振变化规律。

舒爱强等人(2010)采用正方锥形塔架模型,进行风荷载数值模拟,推导出不同风向角作用下的气动力系数[18]

邓洪洲(2003)对不同风速下大跨越输电单塔和塔线耦联体系模型的风洞试验,通过在均匀流场和紊流流场的对比,揭示了大跨越输电单塔和塔线耦联体系的动力变化规律。

梁枢果(2008)在研究输电杆塔精细模型的体型系数和风振系数,研究输电杆塔设计和理论的差异。

赵桂峰、谢强等学者(2009)模拟了输电塔线体系的风洞试验,发现通过振型叠加法计算的塔线体系的风振响应误差很大。

娄文娟、孙炳楠等人(1996)建立椒江大跨越输电塔线体系模型,通过等参塔线体系的风洞试验,得到了输电塔体型系数与风向角的变化规律。

Battista(2003)等设计了一种非线性悬摆锤吸振器,它显著改善了一阶模态风振反应的控制效果。

Desai(1995)等分析了输电导线这种不规则结构的驰振现象,等参索单元模拟导线结构,并将相连的输电塔视为刚性体结构,远端绝缘子视为静态线性弹簧体结构,分析多跨塔线驰振效应,为耗能减振提供参考。

Yasui(1999)等塔振动峰值分别通过时程分析法和能量谱密度法计算,导线支撑分别采用悬挂和张拉两种方式,获得输电塔线体系耦合作用动力响应[26]

Loredo-Souza和Davenport(1998)分析计算了对典型输电铁塔的横向风致响应,基于阵风响应因子法和影响线统计法,分析输电塔线体系动力响应特点[27],[28]

龚靖(1998)研究了薄壁型钢输电塔的风振响应,确定了基本风压,并研究了风的特性。

柳国环等学者(2010)建立格构式塔架模型,研究塔的自振特性,研究风向对塔各向特性的影响规律,推导高阶广义荷载谱,并得到空间位移公式。

Davenport(1980)通过结构响应相同原理,不考虑塔线耦合,将脉动风荷载等效为平均分布的静态风荷载,受到阵风荷载影响,需要乘以阵风因子得到等效风荷载。

刘智虎(2007)建立输电塔线体系模型,研究风荷载作用下输电导线对输电杆塔的振动影响。还研究了现行规范风振系数等参数的标准,并指出了规范设计的不足。

Ahsan Kareem和Yin Zhou(2003)通过高阶风洞试验基础,提出阵风因子法,模拟结构在脉动风下背景响应和共振响应。

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