充分考虑铁塔结构弹性形变的输电铁塔杆件应力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种充分考虑铁塔结构弹性形变的输电铁塔杆件应力计算方法，首先利用有限单元法建立铁塔结构的有限元力学模型，并根据铁塔结构组成进行整体结构的离散化；再对每一单元生成单元刚度矩阵，结合铁塔结构中各杆件之间的空间角度关系和连接关系，叠加生成整体刚度矩阵；然后，根据铁塔所受载荷生成载荷阵列，并以节点位移阵列作为未知量，与整体刚度矩阵，载荷阵列组成矩阵方程；最后，通过求解矩阵方程，获取节点应变，最终得到铁塔结构中每根杆件的应力。本发明专利技术通过数学方法直接对输电铁塔杆件应力进行精确求解，可为铁塔结构安全评价提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
充分考虑铁塔结构弹性形变的输电铁塔杆件应力计算方法本申请是申请号：201410423136.3、申请日：2014.8.26、名称“一种基于有限元分析的输电铁塔杆件应力计算方法”的分案申请。
本专利技术涉及一种对输电铁塔进行结构力学分析并精确计算每根杆件应力的方法，属于输电线路运行状态安全评价领域。
技术介绍
电能生产与传输是国家经济社会发展的命脉，输电线路更是关系国计民生的“生命线”。输电线路作为重要的生命线工程，为电力能源的高效供给和合理分配提供了有力保证。经济社会的持续健康发展，对输电线路运行的安全和可靠性提出了更高要求。然而，由于我国幅员辽阔，输电线路路径长、塔架高、大量穿越深山大河，甚至是无人区，自然地理气象条件复杂多变，输电线路作为大电网的主干，其自身是一个巨大的环境灾害承载体。长期运行资料表明线路安全事故大多由机械力学原因造成。虽然在线路规划设计中，已基于铁塔塔材理论计算强度值，按特定工况条件计算允许应力并设置安全系数，在一定程度保证线路的安全运行。但实际运行工况复杂且时变，且无法完全由设计规范所预计，部件实际运行应力可能超出安全阈值；因此实际输电线路虽已严格按规范设计、施工、运行，但断线、倒塔等安全事故仍时有发生。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。故本专利技术提出，对铁塔结构进行有限元建模，考虑到铁塔结构的弹性形变，对每一根杆件进行力学分析，并根据铁塔结构对单根杆件的力学性质进行合理叠加，给出整体铁塔结构的精确力学性质，以得到铁塔结构在复杂载荷下的精确应力分布。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于有限元分析的输电铁塔杆件应力计算方法，用于分析计算铁塔每根杆件的应力，包括如下步骤：步骤1：根据有限单元法建立铁塔结构的有限元力学模型，根据得到的力学模型获取铁塔节点；并将铁塔结构离散化，得到与铁塔两节点间杆件数目相同的单元，单元彼此之间仅靠节点(铁塔中主材与主材、主材与斜材、斜材与斜材的交汇点视为节点)相连；步骤2：针对每个单元和节点位移，分别生成单元刚度矩阵[k](e)和节点位移阵列并根据杆件之间的空间角度关系、杆件之间的连接关系，转换叠加出铁塔整体刚度矩阵步骤3：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(其中)，并考虑到矩阵方程中的奇异性，引入铁塔塔腿四节点的位移约束条件，求解矩阵方程，得到节点位移阵列步骤4：计算铁塔节点的应变、应力，获取铁塔结构中薄弱的杆件。其中，步骤1中的铁塔结构离散化方法是将铁塔中主材与主材、主材与斜材、斜材与斜材的交汇点归结为节点，每两个节点之间的杆件视为一个杆单元。步骤2中的节点位移阵列和单元刚度矩阵[k](e)分别为：1)点位移阵列的表达式为：其中，为整体坐标系中的节点位移阵列；为第1个节点的位移阵列；为第2个节点的位移阵列；以此类推为第n个节点的位移阵列；ui，vi，wi为第i节点在局部坐标系中三个方向的线位移；θxi，θyi，θzi为第i节点处截面绕三个坐标轴的转动，θxi代表截面的扭转，θyi，θzi分别代表截面在xz及xy坐标面内的转动。2)单元刚度矩阵[k](e)的表达式为：其中，[k](e)为杆单元在单元局部坐标系内的刚度矩阵；A为杆单元横截面面积；Iy为在xz面内截面惯性矩；Iz为在xy面内的截面惯性矩；Ip为单元的扭转惯性矩；l为长度；E和G分别为材料的弹性模量和剪切模量。根据所获得的单元刚度矩阵[k](e)并依据杆件之间的空间角度关系、杆件之间的连接关系，即可得到铁塔整体刚度矩阵步骤3中的节点载荷矩阵为：其中，为整体坐标中所有节点载荷阵列；为整体坐标中第i个节点的载荷列阵；Nxi为第i个节点的轴向力，Nyi、Nzi分别为第i个节点在xy及xz面内的剪力；Mxi为第i个节点的扭矩，Myi、Mzi为第i个节点在xz及xy面内的弯矩。考虑到矩阵方程中为奇异矩阵，为使得方程组有解，本专利技术中引入铁塔4个塔脚与基础连接部分固定，限制铁塔结构的刚性位移这一约束条件，从而保证整体刚度方程具有唯一解。步骤4中计算铁塔节点的应变和应力公式为：其中，σx，σy，σz为坐标轴x，y，z方向上的3个正应力分量；τxy，τyz，τzx为在xy平面，yz平面，zx平面内的3个切应力分量；分别为铁塔空间结构在发生形变时，节点处在坐标轴x，y，z三个方向上的产生的线应变分量；为铁塔空间结构在形变时，节点处在xy平面，yz平面，zx平面内产生的3个剪应变分量。；u＝u(x,y,z)，v＝v(x,y,z)，w＝w(x,y,z)分别为铁塔空间结构在形变时，节点在坐标轴x，y，z方向的位移；E为杆件的弹性模量；μ为泊松比。本专利技术的技术效果：1)充分考虑铁塔结构的弹性形变，对每一根杆件进行力学分析，根据铁塔结构对单根杆件的力学性质进行叠加，使得分析结果更加精确。2)不仅可分析单一工况下铁塔结构受力，对分析复杂工况下的铁塔结构受力分析也具有优越的性能。3)计算中引入铁塔4个塔脚与基础连接部分固定，限制铁塔结构的刚性位移这一约束条件，从而保证整体刚度方程具有唯一解，巧妙地解决了矩阵方程中的奇异性矩阵的奇异性问题。附图说明图1为220kV干字型铁塔示意图。图2为铁塔模型中塔脚施加约束条件示意图。具体实施方式一种基于有限元分析的输电铁塔杆件应力计算方法，可概括为四个阶段：前期处理、有限元力学分析、工况荷载处理和后期处理。前期处理包括建立铁塔结构的有限元力学模型和对整体结构进行离散化处理；有限元力学分析即对铁塔结构的有限元力学模型进行分析，结合铁塔结构中各杆件之间的空间角度关系和连接关系，叠加生成整体刚度矩阵；工况荷载处理即将铁塔所受均布载荷、非节点载荷等效移置到节点上，形成节点载荷阵列；后期处理即以节点位移阵列作为未知量，与整体刚度矩阵，载荷阵列组成矩阵方程，并求解矩阵方程，给出节点应变，最终找出铁塔结构中薄弱的杆件。该方法主要包括如下步骤：步骤1：根据有限单元法建立铁塔结构的有限元力学模型，根据得到的力学模型获取铁塔节点；并将铁塔结构离散化，得到与铁塔两节点间杆件数目相同的单元，单元彼此之间仅靠节点(铁塔中主材与主材、主材与斜材、斜材与斜材的交汇点视为节点)相连；步骤2：针对每个单元和节点位移，分别生成单元刚度矩阵[k](e)和节点位移阵列并根据杆件之间的空间角度关系、杆件之间的连接关系，转换叠加出铁塔整体刚度矩阵步骤3：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(其中)，并考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充分考虑铁塔结构弹性形变的输电铁塔杆件应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据有限单元法建立铁塔结构的有限元力学模型，根据得到的力学模型获取铁塔节点；并将铁塔结构离散化，得到与铁塔两节点间杆件数目相同的单元，单元彼此之间仅靠节点相连；铁塔中主材与主材、主材与斜材、斜材与斜材的交汇点视为节点；步骤2：针对每个单元和节点位移，分别生成单元刚度矩阵[k]

【技术特征摘要】
1.一种充分考虑铁塔结构弹性形变的输电铁塔杆件应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据有限单元法建立铁塔结构的有限元力学模型，根据得到的力学模型获取铁塔节点；并将铁塔结构离散化，得到与铁塔两节点间杆件数目相同的单元，单元彼此之间仅靠节点相连；铁塔中主材与主材、主材与斜材、斜材与斜材的交汇点视为节点；步骤2：针对每个单元和节点位移，分别生成单元刚度矩阵[k](e)和节点位移阵列并根据杆件之间的空间角度关系、杆件之间的连接关系，转换叠加出铁塔整体刚度矩阵步骤4中计算铁塔节点的应变和应力公式为：其中，σx，σy，σz为坐标轴x，y，z方向上的3个正应力分量；τxy，τyz，τzx为在xy平面，yz平面，zx平面内的3个切应力分量；分别为铁塔空间结构在发生形变时，节点处在坐标轴x，y，z三个方向上的产生的线应变分量；为铁塔空间结构在形变时，节点处在xy平面，yz平面，zx平面内产生的3个剪应变分量；；u＝u(x,y,z)，v＝v(x,y,z)，w＝w(x,y,z)分别为铁塔空间结构在形变时，节点在坐标轴x，y，z方向的位移；E为杆件的弹性模量；μ为泊松比；整体刚度矩阵的集成规...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈震伟，徐剑峰，郭成功，葛乐，朱张蓓，朱富云，龚灯才，朱卫，吴晓楠，蒋徐勇，尹海海，林泳，
申请(专利权)人：江苏省电力公司南通供电公司，国家电网公司，江苏省电力公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32