一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，包括以下步骤：首先对质点属性进行初始化，之后设置路径单元并对运动方程求解，最后进行坐标和内力的更新。本发明专利技术通过运动方程的求解及相关量的更新迭代最终找到覆冰后的位置和形状。该方法能够解决现有的有限元软件进行输电导线找形过程的建模复杂、繁琐的问题，可以仿真不同的复杂场景。本发明专利技术适用于有高差、无高差、均匀覆冰和不均匀覆冰等多种情况，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法
本专利技术属于一种输电线路找形方法，特别是一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法。
技术介绍
在经济高速发展的今天，电能已经成为社会发展与人民正常生活不可或缺的资源。中国幅员辽阔，能源、资源的分布却并不均衡，保证电力的输送成为一个关乎国计民生的大问题，对输电线路进行各种力学计算与分析是保证电网安全性与稳定性的基础。输电导线作为柔索结构只受拉不受压，刚度低易受外界影响，覆冰荷载作为输电导线的常见荷载之一，对输电线路安全影响较大。因此对输电导线覆冰状态下的找形分析较为关键，是其后动力分析的基础，其找形是否正确直接影响动力分析的精确程度。输电线路找形是输电线路动态响应分析的重要基础。随着有限元软件的发展，在已有的输电线路找形方法中，基于有限元软件进行输电线路建模和找形是应用最广的方法之一。而有限元软件建模时步骤较多，找形复杂、繁琐易出错，不同场景下的找形均从建模开始，不易仿真大量的场景。而采用有限单元法自编程序进行输电线路找形虽然可以进行大量复杂场景的仿真，但在求解时形成复杂的非线性刚度矩阵，迭代计算比较繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种操作简单、适用范围广、精确度高且效率较高的基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法。本专利技术采用如下的技术方案：一种基于有限质点法的输电线路找形方法，包括如下步骤：步骤1：读入架空线路信息和覆冰厚度信息，包括：档距、高差、电线型号、覆冰厚度等信息；步骤2：根据悬链线公式求解自重下的输电线路位置和形状；步骤3：划分单元、初始化质点属性，包括质点的质量、位置和速度；步骤4：初始化质点的内力和外力，设置路径单元，确定路径单元内步长与步数；步骤5：求解质点的运动方程，得到质点位移；步骤6：更新质点的位移和内力；步骤7：判断是否到达迭代终止条件，如果到达，则覆冰输电线路找形结束，输出导线形状，否则转步骤5；本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术适用于有高差、无高差、均匀覆冰和不均匀覆冰等各种场景，适用范围较广；2)本专利技术采用自编程序进行覆冰输电导线找形求解，可进行大量复杂场景的仿真；3)本专利技术避免了有限元软件复杂繁琐的建模过程，无需形成非线性刚度矩阵；4)本专利技术的方法简单易行，计算效率高。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是基于有限质点法的覆冰输电导线找形流程图。图2是单元的虚拟运动图，其中图(a)是单元的虚拟逆向运动图,图(b)是单元的虚拟正向运动图。图3是覆冰找形结果示意图。具体实施方式结合附图，本专利技术的一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，包括以下步骤：步骤1、获取架空线路信息和覆冰厚度信息，包括：档距、高差、电线型号、覆冰厚度信息；步骤2、根据悬链线公式求解自重下的输电线路的形状；所述悬链线公式为：该公式以左侧悬挂点为坐标原点，式中：y、x——输电导线各处纵坐标、横坐标；σo——架线气温下水平应力；h——相邻两悬挂点间沿荷载方向的高差；γ——导线覆冰前比载；Lh＝0——两侧悬挂点等高下的档内悬链线线长；l——相邻两悬挂点间垂直于荷载方向的投影距离，称为档距。步骤3、对输电导线进行单元划分，之后对质点属性进行初始化，所述质点属性包括质点的质量、位置和速度；对质点属性进行初始化时，质点位置由步骤2中悬链线公式求得，质点初速度为0，线路的全部质量由质点承担，单元的质量平均分配给两边质点，质点质量Mi的计算公式为：式中Mi——第i个质点的质量；qi、qi+1——第i个、i+1个单元的质量。步骤4、对质点的内力和外力进行初始化，之后设置路径单元，具体是确定路径单元内步长与步数；设置路径单元为质点运动的基本单位，在路径单元内做出如下假设：(1)以线路的初始形态作为计算位移、变形和内力变化的基础构架；(2)线路的变形很小，可将转动视为中度大转动；(3)忽略几何变化对构件变形和内力计算的影响；(4)构件的组合、性质及约束不变；(5)路径单元内质点的性质不变，路径单元之间质点性质变化，所述质点的性质包括质量、数量、内力。步骤5、对质点的运动方程进行求解，得到质点位移；对质点的运动方程进行求解包括以下步骤：步骤5-1、构建质点的运动方程，其公式为：Ma＝Fext+Fint+FdmpFdmp＝-μMv式中，M、a——质点的质量、加速度向量；Fext、Fint、Fdmp——等效质点内力、外力和阻尼力；μ、v——阻尼系数、质点速度向量；步骤5-2、采用中心差分法将质点速度、加速度表示为：式中dn+1、dn、dn-1——质点在第n+1步、第n、第n-1步的位移；△t——时间步长；vn、an——质点第n步的速度、加速度向量；步骤5-3、判断计算时刻是否为初始时刻，如果是则执行步骤5-4，否则执行步骤5-5；步骤5-4、构建初始时刻的位移，其公式为：式中d1、d0——质点在第1步、初始时刻的位移；v0——质点初始时刻的速度向量；步骤5-5、将中心差分法的公式代入运动方程，则得到第n+1步的位移为：步骤6、利用步骤5获取的质点位移对质点进行更新，更新的内容包括质点的位移和内力；质点内力更新所用公式为：Fext＝f1-f2式中f1，f2——质点两端连接单元的内力；从ta时刻到tb时刻单元内力所用公式为：式中，fB'——单元AB在tb时刻的内力；σ——单元AB在ta时刻的应力；S——单元截面积；E——弹性模量；lA'B'、lAB——单元在tb、ta时刻的长度；eA'B'——单元AB在tb时刻的方向向量。步骤7、判断是否到达迭代终止条件，如果到达，则覆冰输电线路找形结束，输出导线形状，否则转步骤5。本专利技术适用于有高差、无高差、均匀覆冰和不均匀覆冰等多种情况，适用范围广。下面进行更详细的描述。参见图1，图1是基于有限质点法的覆冰输电导线找形具体使用方法如下：第一步，读入架空线路信息和覆冰厚度信息，包括档距、高差、导线型号、覆冰厚度等。第二步，根据悬链线公式求解自重下的输电线路位置和形状，以左侧悬挂点为坐标原点，计算公式如下：式中y、x——输电导线各处纵坐标、横坐标；σo——架线气温下水平应力，可通过架线设计图纸查得或公式计算得到；h——相邻两悬挂点间沿荷载方向的高差；γ——导线覆冰前比载，γ为q*g/A；Lh＝0——两侧悬挂点等高下的档内悬链线线长；l——相邻两悬挂点间垂直于荷载方向的投影距离，称为档距；第三步，初始化质点属性，在划分单元后用质点来离散并分析输电导线，质点属性包括质点的质量、位置和速度。质点位置由第二步中悬链线公式求得，质点初速度为0，结构的全部质量由质点承担，单元的质量平均分配给两边质点，质点质量的计算公式为：式中Mi——第i个质点的质量；qi、qi+1——第i个、i+1个单元的质量；第四步，设置路径单元确定质点运动的基本单位，用有限个质点在微小时间段上的运动即路径单元逼近结构在时间和空间上的连续运动，在路径单元内做出如下假设：(1)以构件的初始形态作为计算位移、变形和内力变化的基础构架；(2)构件的变形很小，可将转动视为中度大转动；(3)几何变化对构件变形和内力计算的影响可以忽略；(4)构件的组合、性质及约束不变。构件几何变形或转动较大时，可以用一组途径单元分析，每个途径单元中将构件的变形视为小变形和中度转动来处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取架空线路信息和覆冰厚度信息，包括：档距、高差、电线型号、覆冰厚度信息；步骤2、根据悬链线公式求解自重下的输电线路的形状；步骤3、对输电导线进行单元划分，之后对质点属性进行初始化，所述质点属性包括质点的质量、位置和速度；步骤4、对质点的内力和外力进行初始化，之后设置路径单元，具体是确定路径单元内步长与步数；步骤5、对质点的运动方程进行求解，得到质点位移；步骤6、利用步骤5获取的质点位移对质点进行更新，更新的内容包括质点的位移和内力；步骤7、判断是否到达迭代终止条件，如果到达，则覆冰输电线路找形结束，输出导线形状，否则转步骤5。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取架空线路信息和覆冰厚度信息，包括：档距、高差、电线型号、覆冰厚度信息；步骤2、根据悬链线公式求解自重下的输电线路的形状；步骤3、对输电导线进行单元划分，之后对质点属性进行初始化，所述质点属性包括质点的质量、位置和速度；步骤4、对质点的内力和外力进行初始化，之后设置路径单元，具体是确定路径单元内步长与步数；步骤5、对质点的运动方程进行求解，得到质点位移；步骤6、利用步骤5获取的质点位移对质点进行更新，更新的内容包括质点的位移和内力；步骤7、判断是否到达迭代终止条件，如果到达，则覆冰输电线路找形结束，输出导线形状，否则转步骤5。2.根据权利要求1所述的一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，其特征在于，步骤2中的悬链线公式为：该公式以左侧悬挂点为坐标原点，式中：y、x——输电导线各处纵坐标、横坐标；σo——架线气温下水平应力；h——相邻两悬挂点间沿荷载方向的高差；γ——导线覆冰前比载；Lh＝0——两侧悬挂点等高下的档内悬链线线长；l——相邻两悬挂点间垂直于荷载方向的投影距离，称为档距。3.根据权利要求1所述的一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，其特征在于，步骤3对质点属性进行初始化时，质点位置由步骤2中悬链线公式求得，质点初速度为0，线路的全部质量由质点承担，单元的质量平均分配给两边质点，质点质量Mi的计算公式为：式中Mi——第i个质点的质量；qi、qi+1——第i个、i+1个单元的质量。4.根据权利要求1所述的一种基于有限质点法的覆冰输电线路找形方法，其特征在于，步骤4设置路径单元为质点运动的基本单位，在路径单元内做出如下假设：(1)以线路的初始形态作为计算位移、变形和内力变化的基础构架；(2)线路的变形很小，可将转动视为中度大转动；(3)忽略几何变化对构件变形和内力计算的影响；(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄琳雁，吕友杰，谢云云，陈晞，李凯嵘，宋雯雯，蔡胜，陈佳欣，卜京，殷明慧，姚娟，邹云，蔡晨晓，张俊芳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32