一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法技术

本发明专利技术公开了一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法，该方法基于COMSOL Multiphysics软件，根据输电塔的结构、杆件截面、材料对其进行建模，通过施加外界荷载，如输电塔、导线和绝缘子的自重，风和覆冰载荷等，对输电塔进行受力分析，生成受力云图、变形云图、结果报告。然后，通过软件内置App开发器，利用表单编辑器和方法编辑器设计输电塔结构受力分析的App。本发明专利技术可以广泛应用于输电塔的有限元建模与结构受力分析，同时制作出的App可以使缺乏有限元建模和仿真分析的非专业人员通过快速修改该模型的参数获得计算结果。

A mechanical analysis of transmission tower structure and its App production method

The present invention discloses a method for structural mechanics analysis of transmission tower and its fabrication by App. The method is based on COMSOL Multiphysics software. The transmission tower is modeled according to its structure, member section and material. The transmission tower is subjected to external loads, such as the dead weight of transmission tower, conductor and insulator, wind and icing loads, etc. Stress analysis is conducted to generate force cloud chart, deformation cloud chart and result report. Then, through the software built-in App developer, the form editor and method editor are used to design the App for the force analysis of transmission tower structure. The invention can be widely used in the finite element modeling and structural stress analysis of transmission tower, and the App can make the non-professional personnel who lack the finite element modeling and simulation analysis obtain the calculation results by quickly modifying the parameters of the model.

【技术实现步骤摘要】
一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法
本专利技术涉及输电塔结构力学分析的
，尤其是指一种基于COMSOLMultiphysics软件的输电塔结构力学分析及其App制作的方法。
技术介绍
输电塔是支撑架空输电线和地线使其与地表之间保持一个安全距离的大型钢结构架，在电力系统安全稳定中发挥着重要的作用。由于输电塔暴露于室外，容易受到外界天气的影响。近年来，随着全球气候的恶劣变化，各种极端自然灾害频繁发生，灾害事件对电力系统也带了严重影响，如2005年超强台风“达维”、2008年中国南方冰灾等。电力系统的稳定运行是国民经济的命脉。而台风天气伴随的大风现象，冰灾天气的覆冰现象，都会致使输电塔所受到的荷载超过自身安全界限而发生倒塔现象。因此研究输电塔结构受力分析的方法具有及其重要的意义。COMSOLMultiphysics是一款通用的多物理场建模与工程仿真软件平台，广泛应用于声学、结构力学、光学、燃料电池、化学反应、流体力学、电磁学等多个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。在现有的输电塔有限元分析方法中，大多都是采用ABAQUS、ANSYS软件进行分析，而且由于这类仿真工作，都不宜于在项目不同工作组之间流动，往往要修改一个简单的参数，就需要重新由仿真工程师进行重新修改仿真，仿真程序易改性差，增加了项目工作组之间的繁琐性。因此，为了减少这种繁琐性，本专利技术研究应用COMSOLMultiphysics软件的App开发器对仿真原程序进行封装，编制用户友好界面。
技术实现思路
本专利技术是针对现有的输电塔有限元分析方法中，较少阐述COMSOLMultiphysics软件的应用，及传统仿真程序的不易读性，提出了一种基于COMSOLMultiphysics软件的输电塔结构力学分析及其App制作的方法，利用COMSOLMultiphysics软件对输电塔结构进行建模和受力分析，并用App将仿真程序进行封装，界面友好化，更加清楚和方便地修改所需参数。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法，包括有两个部分：第一部分、输电塔结构力学分析，包括以下步骤：1.1)构建输电塔的几何结构模型：简化输电塔结构，根据实际输电塔的尺寸和形状，利用COMSOLMultiphysics软件中自带的绘图工具，在三维空间坐标下，绘制出输电塔几何外形；1.2)明确求解问题类型，构建有限元模型：添加物理场接口，利用现有的“结构力学”中“梁”来模拟输电塔的构件，分别将主材构件、斜材构件赋予材料属性和截面属性；1.3)设定载荷和边界条件：根据输电塔模型、实际工况、导线型号数据，计算输电塔的自重和外界载荷，利用软件自带“边荷载”接口，施加到对应的杆件上，同时，利用软件自带“固定约束”接口进行边界条件设置；1.4)网格剖分与求解器设置：根据实际情况设置网格剖分大小，对上述步骤1.1)、1.2)、1.3)所构建的输电塔仿真模型进行网格剖分和求解器设置；1.5)计算与结果后处理：确定研究类型，进行有限元分析，生成分析报告、应力云图、变形云图；第二部分、App的开发制作：是利用COMSOLMultiphysics软件中的App开发器通过以下两个步骤对上述步骤1.1)-1.5)进行App开发：2.1)通过表单编辑器设计界面：通过插入对象来进行表单制作，自行设计用户界面，其中，对象能够是软件已内置的对象，也能够是用户在对输电塔建模过程中所产生的对象；2.1)通过方法编辑器进行编程控制：采用程序的方式，编写各参数变量之间的逻辑关系，实现建模的初始化、程序的运行求解、是否施加外界荷载、后处理的结果显示切换用户所需功能。在步骤1.1)中，实际输电塔的尺寸和形状包括输电塔型号、呼称高参数，在三维空间坐标下，绘制出输电塔几何外形是通过“贝塞尔多边形”、“移动”、“旋转”、“复制”绘图命令，用“线”输电塔几何外形。在步骤1.2)中，对主材构件、斜材构件分别赋予Q345、Q235角钢的材料属性和截面属性，属性包括密度、杨氏模量、泊松比、截面形状、惯性矩、扭矩常数、扭截面模量。在步骤1.3)中，外界荷载是通过《国家电网公司输变电工作典型设计》中对应塔型荷载表和《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》里面的风荷载、冰荷载计算公式求出。在步骤1.5)中，有限元分析的研究类型为稳态分析。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术是在COMSOLMultiphysics商业软件基础上，对输电塔进行有限元模型建模，网格剖分、求解器求解和数据结果可视化处理，并对仿真程序进行App封装。由于COMSOLMultiphysics软件相对于其他软件的优势在于多物理场耦合、后处理与可视化，及其可以通过各附加模块及其LiveLink产品与MATLAB、CAD、SOLIDWORKS无缝连接，方便在后期开展更加复杂的研究。同时本专利技术的方法实现了通用软件的专业化，降低了软件的使用门槛。2、本专利技术可以广泛应用于输电塔的有限元建模与结构受力分析，同时App制作的方法可以搭设用户自定义界面，制作出的App也可以使缺乏有限元建模和仿真分析的非专业人员通过快速修改该模型的参数获得计算结果。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为本专利技术实施例的输电塔的几何模型。图3为本专利技术实施例的应力分析部分可视化结果。图4为本专利技术实施例的App编辑器界面。图5为本专利技术实施例的App界面。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的说明。如图1所示，本实施例所提供的输电塔结构力学分析及其App制作的方法，是基于COMSOLMultiphysics软件，在计算机平台上对输电塔结构进行受力分析，并进行对应App制作，其具体情况如下：1.1)构建输电塔的几何结构模型：简化输电塔结构，根据《国家电网公司输变电工程典型设计》，对220kV酒杯塔(2B-ZB3)的尺寸，利用COMSOLMultiphysics软件中自带的绘图工具，在三维空间坐标下，通过“贝塞尔多边形”、“移动”、“旋转”、“复制”等绘图命令，用“线”绘制出输电塔几何外形，具体参见图2所示。1.2)明确求解问题类型，构建有限元模型：添加物理场接口，利用现有的“结构力学”中“梁”来模拟输电塔的构件，将主材构件、斜材构件分别赋予Q345、Q235角钢的材料属性和截面属性，包括密度、杨氏模量、泊松比、截面形状、惯性矩、扭矩常数、扭截面模量。1.3)设定载荷和边界条件：根据输电塔模型、实际工况、导线型号的数据，通过《国家电网公司输变电工作典型设计》中对应塔型荷载表和《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》里面的风荷载、冰荷载等计算公式求出外界荷载，利用软件自带“边荷载”的接口，将外界荷载和自重施加到对应的杆件上。同时，利用软件自带“固定约束”接口设置边界条件。1.4)网格剖分与求解器设置：设置网格剖分大小为软件内置“常规”，对上述步骤1.1)、1.2)、1.3)所构建的输电塔仿真模型进行网格剖分，设置求解包含几何非线性，采用“MUMPS”求解器进行求解，求解精度等其他采用默认设置。1.5)求解与结果后处理：确定研究类型为稳态分析，进行有限元分析，生成分析报告、应力云图、变形云图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法，其特征在于，包括有两个部分：第一部分、输电塔结构力学分析，包括以下步骤：1.1)构建输电塔的几何结构模型：简化输电塔结构，根据实际输电塔的尺寸和形状，利用COMSOL Multiphysics软件中自带的绘图工具，在三维空间坐标下，绘制出输电塔几何外形；1.2)明确求解问题类型，构建有限元模型：添加物理场接口，利用现有的“结构力学”中“梁”来模拟输电塔的构件，分别将主材构件、斜材构件赋予材料属性和截面属性；1.3)设定载荷和边界条件：根据输电塔模型、实际工况、导线型号数据，计算输电塔的自重和外界载荷，利用软件自带“边荷载”接口，施加到对应的杆件上，同时，利用软件自带“固定约束”接口进行边界条件设置；1.4)网格剖分与求解器设置：根据实际情况设置网格剖分大小，对上述步骤1.1)、1.2)、1.3)所构建的输电塔仿真模型进行网格剖分和求解器设置；1.5)计算与结果后处理：确定研究类型，进行有限元分析，生成分析报告、应力云图、变形云图；第二部分、App的开发制作：是利用COMSOL Multiphysics软件中的App开发器通过以下两个步骤对上述步骤1.1)‑1.5)进行App开发：2.1)通过表单编辑器设计界面：通过插入对象来进行表单制作，自行设计用户界面，其中，对象能够是软件已内置的对象，也能够是用户在对输电塔建模过程中所产生的对象；2.1)通过方法编辑器进行编程控制：采用程序的方式，编写各参数变量之间的逻辑关系，实现建模的初始化、程序的运行求解、是否施加外界荷载、后处理的结果显示切换用户所需功能。...

【技术特征摘要】
1.一种输电塔结构力学分析及其App制作的方法，其特征在于，包括有两个部分：第一部分、输电塔结构力学分析，包括以下步骤：1.1)构建输电塔的几何结构模型：简化输电塔结构，根据实际输电塔的尺寸和形状，利用COMSOLMultiphysics软件中自带的绘图工具，在三维空间坐标下，绘制出输电塔几何外形；1.2)明确求解问题类型，构建有限元模型：添加物理场接口，利用现有的“结构力学”中“梁”来模拟输电塔的构件，分别将主材构件、斜材构件赋予材料属性和截面属性；1.3)设定载荷和边界条件：根据输电塔模型、实际工况、导线型号数据，计算输电塔的自重和外界载荷，利用软件自带“边荷载”接口，施加到对应的杆件上，同时，利用软件自带“固定约束”接口进行边界条件设置；1.4)网格剖分与求解器设置：根据实际情况设置网格剖分大小，对上述步骤1.1)、1.2)、1.3)所构建的输电塔仿真模型进行网格剖分和求解器设置；1.5)计算与结果后处理：确定研究类型，进行有限元分析，生成分析报告、应力云图、变形云图；第二部分、App的开发制作：是利用COMSOLMultiphysics软件中的App开发器通过以下两个步骤对上述步骤1.1)-1.5)进行App开发：2.1)通过表单编辑器设计界面：通过插入对象来进行表单制作，自行设计用户界面，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐文虎，杨毅豪，冯志颖，牛哲文，辛妍丽，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44