输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法及系统，该方法包括如下步骤：首先确定输电导线的节点坐标几何信息，确定导线的弹性模量、自重、外荷载等物理参数与荷载参数；将输电导线单元的刚度矩阵表示为弹性刚度矩阵、初位移刚度矩阵和初应力刚度矩阵之和；建立的弹性刚度的弹性模量频率灵敏度、初位移刚度的弹性模量频率灵敏度和初应力刚度的弹性模量频率灵敏度，建立输电导线的弹性模量频率灵敏度计算方法，分析计算材料弹性模量对输电导线动力性能的影响。本发明专利技术方法具有适用范围广、分析精度高、计算简便快捷等优点。

Frequency sensitivity analysis method and system for elastic modulus of transmission lines

The present invention discloses a frequency sensitivity analysis method and system of the elastic modulus of a transmission line. The method includes the following steps: first determine the geometric information of the node coordinates of the transmission wire, determine the physical parameters and load parameters of the elastic modulus of the wire, the weight and the external load, and represent the stiffness matrix of the transmission line unit. For the sum of elastic stiffness matrix, initial displacement stiffness matrix and initial stress stiffness matrix, the elastic modulus frequency sensitivity of elastic modulus of elasticity, the frequency sensitivity of modulus of elasticity of initial displacement stiffness and the frequency sensitivity of modulus of elasticity of initial stress stiffness are established, and the calculation method of frequency sensitivity of the elastic modulus of transmission lines is established. The influence of elastic modulus of materials on the dynamic performance of transmission conductors is calculated. The method has the advantages of wide application range, high analysis accuracy, and simple and quick calculation.

【技术实现步骤摘要】
输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法及系统
本专利技术涉及输电线路结构性能评估技术，尤其涉及一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法及系统。
技术介绍
输电导线一种重要的电力基础设施长期在野外露天服役，遭受风吹日晒和各种环境效应的作用，因此容易在外荷载作用下引起损伤累积和失效破坏。近年来国内外多有输电导线在强风、高温以及腐蚀环境等作用下的损伤破坏事故发生。输电导线损伤破坏将导致电力传输中断，产生严重的经济损失和次生灾害。因此，开展输电导线的服役性能评估工作具有重要的科学意义和实际工程价值。从力学模型角度而言，输电导线是一种细柔的悬索结构。悬索作为一种典型的大跨度轻柔结构，被广泛应用于桥梁、空间结构以及输电线路。悬索结构虽然具有广阔的应用前景，但相比于常规结构而言其静动力响应具有强非线性特性，因此难以被大多数普通技术人员所掌握，也缺乏适合普通设计人员使用的悬索分析设计软件。因此，针对输电线路的性能分析和评估工作还非常有限。国内外研究表明，早期对输电导线力学性能的研究并没有充分考虑其强非线性效应，往往简单的基于梁单元或杆单元模型来研究导线的服役性能。近年来，随着非线性有限元技术和计算机技术的迅速发展，输电导线的非线性静动力分析得到了较快发展，一些针对输电导线的非线性有限元分析方法被建立起来并被应用于工程实际。在大跨度输电线路的设计建造过程中，随着导线跨度、结构形式和建造技术的不断发展，导线关键部位的精细化响应分析和参数敏感性特征需要更加先进有效的分析技术和方法。目前参数灵敏度分析方法已经在航空航天、机械、汽车等领域得到了很多应用，在土木工程领域也得到了一些有益的尝试，包括用于大型结构的优化设计等。然而总体而言，对于输电线路的参数灵敏度研究还非常欠缺，尚有很长的路要走。前研究主要集中于外荷载作用下的输电导线静动力承载力特性研究，针对输电导线弹性模量频率灵敏性的研究还未有相关报道。能够考虑到输电导线的强几何非线性性能的精细化的导线频率灵敏度技术方法仍然非常匮乏，有待进一步的探索和创新。这其中的关键问题之一，就是目前尚缺乏针对大跨度输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法和系统。虽然自20世纪70年代以来，结构有限元分析技术及计算机软硬件技术均取得了飞速发张，一大批功能强大的有限元分析软件如ABAQUS、NASTRAN、ANSYS、ADINA等应运而生，并得到广泛应用。但这些常规有限元软件没有开发针对输电导线的非线性索单元，更没有针对输电导线的参数灵敏度分析功能。从结构形式而言，输电导线一种典型的大跨细柔结构，在外荷载作用下动力效应非常显著。因此，分析其动力参数(如自振频率)的特性对研究输电导线的服役性能具有重要意义。输电导线长度巨大，构件众多，导线不同位置的构件的物理参数将对其动力特性造成较大影响。其中弹性模量是影响输电导线轴向刚度和其抗拉承载力的主要物理参数。因此，有必要系统研究弹性模量的变化对导线动力特性的影响特点和规律，通过建立输电导线弹性模量频率灵敏度分析技术方法，可以考察不同部位的弹性模量变化所引起的导向整体性能改变。这可以有效提高输电导线的性能评估水平，提升大型输电线路的分析水平和可靠性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法及系统，能够实现对输电导线弹性模量频率灵敏度的分析计算，为实际输电导线的性能评估和振动分析提供有效手段。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，包括以下步骤：1)确定输电导线几何物理参数，包括输电导线的节点信息、导线线型信息以及导线物理参数；所述导线节点信息包括输电导线两端几何坐标；所述导线线型信息为导线单元长度，所述导线物理参数包括材料弹性模量、自重、外荷载，非线性应变以及导线运行张力；2)根据输电导线几何物理参数确定输电导线单元的应变和应力表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式；3)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度；4)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初位移刚度Kg的弹性模量频率灵敏度；5)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初应力刚度Kσ的弹性模量频率灵敏度；6)将弹性刚度的灵敏度、初位移刚度的灵敏度和初应力刚度的灵敏度集合，并考虑输电导线的质量矩阵、自振频率和振型向量分析计算输电导线的弹性模量频率灵敏度。按上述方案，所述步骤2)中输电导线单元的应变和应力表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式，具体如下：参数矩阵B为：其中：ε为输电导线非线性应变；ζ为导线上任意点的相对坐标；T为形函数；Xe为节点坐标；Ue为节点位移；L为导线单元长度；输电导线单元的应力与应变的关系为：σ＝Eε+σ0其中：E为输电导线单元的弹性模量；σ为输电导线单元轴向应力；σ0为输电导线单元中的初始应力。按上述方案，所述步骤3)中输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度计算过程如下：基于输电导线单元的几何矩阵和节点坐标向量，建立单元增量形式表示的平衡方程；然后建立位移增量表达式，并进一步建立导线单元弹性刚度的弹性模量频率灵敏度计算公式。按上述方案，所述步骤3)中输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度计算采用以下公式：其中，A为导线横截面积；L为导线单元长度，B为参数矩阵，Xe为输电导线单元上节点在整体坐标系下的坐标向量；E为输电导线的弹性模量。按上述方案，所述输电导线初位移刚度的灵敏度计算过程如下：基于初位移变形增量表达式，建立初位移增量对弹性模量的灵敏度计算方法；然后建立导线初位移刚度的弹性模量频率灵敏度计算公式。按上述方案，所述输电导线初位移刚度Kg的灵敏度计算采用以下公式：其中，A为导线横截面积；L为导线单元长度，B为参数矩阵，Xe为输电导线单元上节点在整体坐标系下的坐标向量；E为输电导线的弹性模量；Ue为输电导线单元两端节点位移。按上述方案，所述输电导线初应力刚度的灵敏度计算过程如下：基于初应力变形增量表达式，建立初应力位移增量对弹性模量的灵敏度计算方法；然后建立导线初应力刚度的弹性模量频率灵敏度计算公式。按上述方案，所述输电导线初应力刚度Kσ的灵敏度计算采用以下公式：其中，A为导线横截面积；L为导线单元长度，B为参数矩阵，Xe为输电导线单元上节点在整体坐标系下的坐标向量；E为输电导线的弹性模量；Ue为输电导线单元两端节点位移。按上述方案，所述输电导线的弹性模量频率灵敏度计算采用以下公式：其中，Ke为弹性刚度矩阵、Kg为初位移刚度矩阵、Kσ为初应力刚度矩阵、M为输电导线的质量矩阵、为输电导线的r阶振型、fr为输电导线的第r阶频率。本专利技术还提供了一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析系统，包括：输电导线几何物理参数监测模块，用于确定输电导线的节点信息、线型信息以及导线物理参数；所述导线节点信息包括输电导线两端几何坐标；所述导线线型信息为导线单元长度，所述导线物理参数包括材料弹性模量、自重、外荷载，非线性应变以及导线运行张力；输电导线单元应变和参数矩阵分析模块，用于根据输电导线几何物理参数确定输电导线单元应变表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式；输电导线弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定输电导线几何物理参数，包括输电导线的节点信息、导线线型信息以及导线物理参数；所述导线节点信息包括输电导线两端节点坐标；所述导线线型信息为导线单元长度，所述导线物理参数包括材料弹性模量、自重、外荷载，非线性应变以及导线运行张力；2)根据输电导线几何物理参数确定输电导线单元的应变和应力表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式；3)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度；4)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初位移刚度Kg的弹性模量频率灵敏度；5)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初应力刚度Kσ的弹性模量频率灵敏度；6)将弹性刚度的灵敏度、初位移刚度的灵敏度和初应力刚度的灵敏度集合，并考虑输电导线的质量矩阵、自振频率和振型向量分析计算输电导线的弹性模量频率灵敏度。

【技术特征摘要】
1.一种输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定输电导线几何物理参数，包括输电导线的节点信息、导线线型信息以及导线物理参数；所述导线节点信息包括输电导线两端节点坐标；所述导线线型信息为导线单元长度，所述导线物理参数包括材料弹性模量、自重、外荷载，非线性应变以及导线运行张力；2)根据输电导线几何物理参数确定输电导线单元的应变和应力表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式；3)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度；4)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初位移刚度Kg的弹性模量频率灵敏度；5)根据输电导线单元的应变和应力以及导线单元的参数矩阵确定输电导线初应力刚度Kσ的弹性模量频率灵敏度；6)将弹性刚度的灵敏度、初位移刚度的灵敏度和初应力刚度的灵敏度集合，并考虑输电导线的质量矩阵、自振频率和振型向量分析计算输电导线的弹性模量频率灵敏度。2.根据权利要求1所述的输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，所述步骤2)中输电导线单元的应变和应力表达式，并确定导线单元的参数矩阵B的表达式，具体如下：参数矩阵B为：其中：ε为输电导线非线性应变；ζ为导线上任意点的相对坐标；T为形函数；Xe为节点坐标；Ue为节点位移；L为导线单元长度；输电导线单元的应力与应变的关系为：σ＝Eε+σ0其中：E为输电导线单元的弹性模量；σ为输电导线单元轴向应力；σ0为输电导线单元中的初始应力。3.根据权利要求1所述的输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，所述步骤3)中输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度计算过程如下：基于输电导线单元的几何矩阵和节点坐标向量，建立单元增量形式表示的平衡方程；然后建立位移增量表达式，并进一步建立导线单元弹性刚度的弹性模量频率灵敏度计算公式。4.根据权利要求1所述的输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，所述步骤3)中输电导线弹性刚度Ke的弹性模量频率灵敏度计算采用以下公式：其中，A为导线横截面积；L为导线单元长度，B为参数矩阵，Xe为输电导线单元上节点在整体坐标系下的坐标向量；E为输电导线的弹性模量。5.根据权利要求1所述的输电导线的弹性模量频率灵敏度分析方法，其特征在于，所述输电导线初位移刚度的灵敏度计算过程如下：基于初位移变形增量表达式，建立初位移增量对弹性模量的灵敏度计算方法；然后建立导线初位移刚度的弹性模量频率灵敏度计算公式。6.根据权利要求1所述的输电导线的弹性模量频率灵敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，陈国华，程海峰，陈家鑫，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42