基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，包括以下步骤：建立导线静态模型；将导线静态模型扩至输电线路，得到输电线路静态模型；建立分裂间隔棒模型；求解任一导线的升力、阻尼力和扭矩；将升力、阻尼力和扭矩导线模型进行加载，得到导线受力模型；求解转换矩阵，获取导线所有局部坐标单元结点的运动位移值、速度值；将导线位移整体坐标系转换到局部单元坐标系；求解单线每个局部单元两个结点的结点力，利用转换矩阵，得到导线整体力；将导线整体力转换成整体坐标系，得到导线覆冰舞动模型，从而得到输电线路覆冰舞动模型。有益效果：通过改变分裂间隔棒的安装方式，对分裂间隔棒防舞动效果进行试验测试，提高输电线路可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法
本专利技术涉及输电线路
，具体的说是一种基于梁单元的覆冰导线舞动A2NSYS数值模拟方法。
技术介绍
为防止舞动现象对输电线路的正常运行造成的巨大危害，国内外许多学者在此方面展开了大量的研究工作。目前存在得具有有代表性的舞动理论分别为：横向起舞机理、扭转起舞机理、偏心覆冰性耦合起舞机理及动力失稳起舞机理。但是，这几种舞动理论还存在一些缺陷。其中，横向振动激发机理是在只考虑导线垂直方向自由度的情况下得到的，考虑方向和自由度太少，舞动模拟与实际差距大。扭转激发机理是同时考虑输电线路垂直方向自由度和扭转自由度的情况下得到的。对于实际线路，当首先达到横向振动激发条件时，将出现横向舞动；而当首先达到扭转激发条件时，将出现扭转舞动。因此，两者并不矛盾。而对于分裂导线而言，其扭转特性和导线相比有本质的不同，其同阶扭转频率和横向振动频率更接近，从而更易激发扭转舞动。并且，以往对覆冰导线舞动的ANSYS数值模拟多基于索单元模型，即考虑了实际大气环境下线路不均匀覆冰、几何刚度时变特征、不同阶振型之间的耦合效应以及不同档距导线之间的相互作用等因素的影响。但是忽略了扭转与平动的耦合效应，这对于分裂导线的舞动分析是极不准确的，并且没有考虑抗弯、抗拉以及抗剪刚度。刘小会、严波等人提出采用具有三个平动自由度和一个扭转自由度的三结点等参单元离散覆冰导线，用欧拉梁离散间隔棒。然而索单元忽略了抗弯刚度与抗扭刚度，抗弯刚度虽然对平动影响很小，对扭转的影响却不可忽视，且导线垂度越大，抗弯刚度的影响也就越大。综上所述，现有技术中，对于输电线路的舞动模拟中，还不能满足人们对线路舞动模拟的要求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，建立整体坐标系和局部单元坐标系，提高输电线路上任意结点自由度，在建立输电线路覆冰舞动模型过程中，引入输电线路受到的升力、阻尼力和扭矩，提高模型精确度，并对设置在输电线路上的间隔棒防舞动效果进行检验。为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，包括以下步骤：S1：确定梁单元类型和输电线路导线分裂数2N；建立整体坐标系和局部单元坐标系；分别获取输电线路中任一导线参数、绝缘子串参数、覆冰参数、所有导线与绝缘子串之间的约束参数以及间隔棒参数，建立导线静态模型；将导线静态模型扩至输电线路，得到输电线路静态模型；S2：沿输电线路分布方向依次建立2N分裂间隔棒模型；并约束导线两端的平动自由度与X向转动自由度；S3：采用斜风分解法对流经任一导线的风速进行分解，得到任一导线的升力、阻尼力和扭矩；S4：将步骤S3得到的升力、阻尼力和扭矩对步骤S1得到的导线模型进行加载，得到导线受力模型；该导线受力模型为导线静态模型加载升力、阻尼力和扭矩后得到的模型。S5：求解转换矩阵，获取导线所有局部坐标单元结点的运动位移值、速度值；将导线位移整体坐标系转换到局部单元坐标系；S6：求解单线每个局部单元两个结点的结点力，利用转换矩阵，得到导线整体力；S7：将步骤S6得到导线整体力转换成整体坐标系，得到导线覆冰舞动模型，从而得到输电线路覆冰舞动模型。通过上述步骤，输电线路覆冰舞动模型实现3个平动自由度和3个扭转自由度上进行模拟，同时在对导线进行模拟时，基于空间曲梁理论，建立考虑了抗拉刚度、抗弯刚度、抗扭刚度的曲梁模型，提高模拟仿真度。同时，通过改变分裂间隔棒的安装方式，对分裂间隔棒防舞动效果进行试验测试，提高输电线路可靠性。进一步描述，所述梁单元类型为Beam188；所述曲梁单元位于整体坐标系和局部单元坐标系；整体坐标系为X、Y、Z，局部单元坐标系为x1、x2、x3输电线路上任意结点有6个自由度，3个平动自由度3个扭转自由度；其中，所述导线参数包括导线截面面积、导线初张力、导线材料属性、导线截面属性、导线均布比载γ、弧垂最低点的轴向应力σ0、导线水平跨度l；所述绝缘子串参数至少包括绝缘子截面面积、绝缘子长度、绝缘子材料属性、绝缘子截面属性；所述约束参数至少包括导线与绝缘子的弹性模量；所述间隔棒参数至少包括间隔棒材料属性、截面属性和结构参数。再进一步描述，所述建立导线静态模型具体步骤为：S11：计算等高悬点架空线的档内悬链线长度L：其中，γ为导线均布比载、σ0为弧垂最低点的轴向应力、l为导线水平跨度；S12：计算架空线最低点至左侧低悬挂点的水平距离a：其中，h为架空线最低点至左侧低悬挂点的海拔高度差值；S13：计算档距中央弧垂f：S14：通过导入关键点横坐标x，计算关键点纵坐标y：其中，x为沿导线方向的横坐标；h'为绝缘子挂点高度；S15：改变步骤S14中沿导线方向的横坐标x，对应得到的2N个导线局部单元纵坐标y，根据2N个局部单元坐标，得到导线静态模型。再进一步描述，在步骤S1中，将导线静态模型扩至输电线路时，根据输电线路导线分裂数2N，对导线静态模型进行2N次复制得到输电线路静态模型。通过上述方案，实现导线找形，建立导线静态模型。再进一步描述，所述2N分裂间隔棒模型为根据所述导线的缩尺比例进行等比例缩小的虚拟模型，其中2N为大于等于1的整数；输电线路可根据实际分裂数进行扩大。所述2N分裂间隔棒模型包括第一平面、第二平面、第三平面和2N条相互平行的输电线，所述第一平面、第二平面、第三平面相互平行且与所述输电线相垂直，所述第一平面、第三平面到所述第二平面的距离均为Ljgb；2N条输电线的截面连线呈正2N边形，相邻两条输电线之间均连接有一根分裂间隔棒，所述输电线从所述分裂间隔棒的线夹孔内穿过，2N条分裂间隔棒分布在所述第一平面、第二平面、第三平面中的至少两个平面上。其中2N＝2，3，4，5，6……。则该正22N边形或为正四边形、或为正六边形、或为正八边形、或为正十边形……。利用失谐间隔棒的不同布置使多分裂导线各个次挡距的动态特性互不相同，各个次挡距之间的机械阻抗处于互不匹配状态，振动能量在各个次挡距之间能够相互吸收，从而抑制次挡距振动及舞动的发生；分裂输电线路在风激振过程中，使振动波在相邻次挡距间的传播受到限制，起到抑制舞动发生的作用，同时输电线路彼此之间吸收能量也起到消振作用；利用失谐间隔棒，破坏分裂导线运动的整体性，实现横向振动和扭转振动之间的失谐。再进一步描述，所述分裂间隔棒，包括棒体和连接在该棒体两端结构一致的锁头，所述锁头和所述棒体的端部经球绞连接，其特征在于：每个所述锁头包括线夹固定夹头和线夹活动夹头，所述线夹固定夹头和所述线夹活动夹头贴合边上均开有凹槽，所述线夹固定夹头和所述线夹活动夹头的凹槽相对设置形成线夹孔，在所述线夹固定夹头和所述线夹活动夹头上均设置有螺孔，该两个螺孔穿有同一螺栓，该螺栓控制所述线夹活动夹头与线夹固定夹头的间距。将间隔棒分裂开，独立组合，便于形成多种组合形式。线夹孔孔径大小可随机调整，以适应不同大小的输电线路。根据实际需求，该间隔棒结构简单，当运用到实际运用中，便于安装和拆卸。再进一步描述，步骤S3的具体内容为：采用斜风分解法计算x、z向风速：WUZ＝-WU·cosα；WUx＝WU·sinα；WU为来流风速；α为静风荷载下的初始风偏角；WUz为z向风速；WUx本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：S1：确定梁单元类型和输电线路导线分裂数2N；建立整体坐标系和局部单元坐标系；分别获取输电线路中任一导线参数、绝缘子串参数、覆冰参数、所有导线与绝缘子串之间的约束参数以及间隔棒参数，建立导线静态模型；将导线静态模型扩至输电线路，得到输电线路静态模型；S2：沿输电线路分布方向依次建立2N分裂间隔棒模型；S3：采用斜风分解法对流经任一导线的风速进行分解，得到分解风速后，求解任一导线的升力、阻尼力和扭矩；S4：将步骤S3得到的升力、阻尼力和扭矩对步骤S1得到的导线模型进行加载，得到导线受力模型；S5：求解转换矩阵，获取导线所有局部坐标单元结点的运动位移值、速度值；将导线位移整体坐标系转换到局部单元坐标系；S6：求解单线每个局部单元两个结点的结点力，利用转换矩阵，得到导线整体力；S7：将步骤S6得到导线整体力转换成整体坐标系，得到导线覆冰舞动模型，从而得到输电线路覆冰舞动模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：S1：确定梁单元类型和输电线路导线分裂数2N；建立整体坐标系和局部单元坐标系；分别获取输电线路中任一导线参数、绝缘子串参数、覆冰参数、所有导线与绝缘子串之间的约束参数以及间隔棒参数，建立导线静态模型；将导线静态模型扩至输电线路，得到输电线路静态模型；S2：沿输电线路分布方向依次建立2N分裂间隔棒模型；S3：采用斜风分解法对流经任一导线的风速进行分解，得到分解风速后，求解任一导线的升力、阻尼力和扭矩；S4：将步骤S3得到的升力、阻尼力和扭矩对步骤S1得到的导线模型进行加载，得到导线受力模型；S5：求解转换矩阵，获取导线所有局部坐标单元结点的运动位移值、速度值；将导线位移整体坐标系转换到局部单元坐标系；S6：求解单线每个局部单元两个结点的结点力，利用转换矩阵，得到导线整体力；S7：将步骤S6得到导线整体力转换成整体坐标系，得到导线覆冰舞动模型，从而得到输电线路覆冰舞动模型。2.根据权利要求1所述的基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于：所述梁单元类型为Beam188；所述曲梁单元位于整体坐标系和局部单元坐标系；整体坐标系为X、Y、Z，局部单元坐标系为x1、x2、x3输电线路上任意结点有6个自由度，3个平动自由度3个扭转自由度；所述导线参数至少包括导线截面面积、导线初张力、导线材料属性、导线截面属性、导线均布比载γ、弧垂最低点的轴向应力σ0、导线水平跨度l；所述绝缘子串参数至少包括绝缘子截面面积、绝缘子长度、绝缘子材料属性、绝缘子截面属性；所述约束参数至少包括导线与绝缘子的弹性模量；所述间隔棒参数至少包括间隔棒材料属性、截面属性和结构参数。3.根据权利要求2所述的基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于所述建立导线静态模型具体步骤为：S11：计算等高悬点架空线的档内悬链线长度L：其中，γ为导线均布比载、σ0为弧垂最低点的轴向应力、l为导线水平跨度；S12：计算架空线最低点至左侧低悬挂点的水平距离a：其中，h为架空线最低点至左侧低悬挂点的海拔高度差值；S13：计算档距中央弧垂f：S14：通过导入关键点横坐标x，计算关键点纵坐标y：其中，x为沿导线方向的横坐标；h'为绝缘子挂点高度；S15：改变步骤S14中沿导线方向的横坐标x，对应得到的2N个导线局部单元纵坐标y，根据2N个局部单元坐标，得到导线静态模型。4.根据权利要求3所述的基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于在步骤S1中，将导线静态模型扩至输电线路时，根据输电线路导线分裂数2N，对导线静态模型进行2N次复制得到输电线路静态模型。5.根据权利要求1所述的基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于：所述2N分裂间隔棒模型为根据所述导线的缩尺比例进行等比例缩小的虚拟模型，其中2N为大于等于1的整数；所述2N分裂间隔棒模型包括第一平面、第二平面、第三平面和2N条相互平行的输电线，所述第一平面、第二平面、第三平面相互平行且与所述输电线相垂直，所述第一平面、第三平面到所述第二平面的距离均为Ljgb；2N条输电线的截面连线呈正2N边形，相邻两条输电线之间均连接有一根分裂间隔棒，所述输电线从所述分裂间隔棒的线夹孔(23)内穿过，2N条分裂间隔棒分布在所述第一平面、第二平面、第三平面中的至少两个平面上。6.根据权利要求1所述的基于梁单元的覆冰导线舞动ANSYS数值模拟方法，其特征在于：所述分裂间隔棒，包括棒体(1)和连接在该棒体(1)两端结构一致的锁头(2)，所述锁头(2)和所述棒体(1)的端部经球绞(3)连接，其特征在于：每个所述锁头(2)包括线夹固定夹头(21)和线夹活动夹头(22)，所述线夹固定夹头(21)和所述线夹活动夹头(22)贴合边上均开有凹槽，所述线夹固定夹头(21)和所述线夹活动夹头(22)的凹槽相对设置形成线夹孔(23)，在所述线夹固定夹头(21)和所述线夹活动夹头(22)上均设置有螺孔，该两个螺孔穿有同一螺栓(24)，该螺栓(24)控制所述线夹活...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓辉，晏致涛，陈上吉，黄珏，刘欣鹏，张博，吕中宾，李清，卢明，寇晓适，赵书杰，王超，艾文君，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，重庆科技学院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41