瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法、系统和存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法、系统和存储介质，包括如下步骤：建立单片瓷绝缘子几何模型；建立瓷绝缘子串计算模型；采用悬链线方程建立输电导线模型；将建立的模型进行装配，装配采用多点约束算法MPC，形成瓷绝缘子串‑输电导线耦合模型；对瓷绝缘子各部件及输电导线指定材料属性；对瓷绝缘子串‑输电导线耦合模型进行有限元网格剖分；对瓷绝缘子串‑输电导线耦合模型定义边界、施加载荷、设置接触关系；将瓷绝缘子串‑输电导线有限元模型提交计算；提取分析结果，评估瓷绝缘子机械性能。本发明专利技术可以用来评估特高压线路大吨位绝缘子串机械安全性，为大吨位瓷绝缘子串的设计、制造提供理论依据。

Finite element analysis method, system and storage medium for mechanical performance evaluation of porcelain insulator under operation load

【技术实现步骤摘要】
瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法、系统和存储介质
本专利技术涉及架空送电线路设计领域，具体涉及一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法。
技术介绍
随着近年来我国经济全方位多方向的跨越式增长，对电力能源方面的相应需求也与日俱增。瓷绝缘子是特高压输电线路中重要的基础绝缘部件，其优点是不易老化、抗拉力强、使用寿命长；缺点是由于长期运行在强电场、大机械应力、重污秽及复杂温湿度等共存的恶劣环境中，易发生机械性能劣化故障。瓷质绝缘子一旦发生劣化，会对电网的稳定运行构成严重威胁，轻则引起绝缘闪络、断串等事故，造成严重的经济损失，重则造成电网解列、供变电设备停运甚至人员伤亡。因此有必要对其在运行荷载条件下的机械特性进行研究。运行条件下，耐张绝缘子要承受导线张力的作用，并且导线张力还要受大气条件、使用环境等多种因素的影响。当遇到强风时还会使得导线张力急剧增大，严重危及绝缘子的运行安全。目前对绝缘子的研究主要集中在电气特性和风偏特性方面。极少量文献仅对静态荷载条件下单片绝缘子的力学特性进行了仿真计算，没有考虑输电导线的影响，也没有充分校核其动态荷载条件下的可靠性。另外，瓷绝缘子在运输、装卸过程中难免会发生碰撞致使瓷件产生裂纹，裂纹的出现会严重削弱绝缘子的机械强度，而设计人员往往更关注瓷件的电气性能而忽视其机械性能。所以，需要一个新的技术方案来解决这些问题。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其能够考虑输电导线和风载、覆冰、地震等动态载荷的影响，可以用来评估特高压线路大吨位绝缘子串机械安全性，为大吨位瓷绝缘子串的设计、制造提供理论依据。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，包括如下步骤：S1：建立单片瓷绝缘子几何模型；S2：基于单片瓷绝缘子几何模型建立瓷绝缘子串计算模型，将模型上的铁塔端部、导线端部、绝缘子串中间以及含缺陷的绝缘子所在位置处的绝缘子进行实体建模，其余的绝缘子采用梁单元进行建模；采用悬链线方程建立输电导线模型；S3：将步骤S2中所建立的瓷绝缘子串计算模型和输电导线模型进行装配，装配采用多点约束算法MPC，形成瓷绝缘子串-输电导线耦合模型；S4：对瓷绝缘子各部件及输电导线指定材料属性；对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型进行有限元网格剖分；对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型定义边界、施加载荷、设置接触关系；S5：在步骤S4中定义的边界、施加载荷、设置接触关系的基础上，将瓷绝缘子串-输电导线有限元模型提交计算；S6：提取计算结果，评估瓷绝缘子机械性能。。所述步骤S1中单片瓷绝缘子几何模型，包括瓷件、钢帽、钢脚、水泥以及沥青等部件。所述步骤S2中瓷绝缘子串建模的依据为：在结构设计上，作用在瓷绝缘子上的荷载由钢帽、钢脚、瓷件头部以及水泥胶合剂所承担，瓷件伞片本身的变形很小。因此，瓷绝缘子片的受力变形特征可以通过梁单元进行模拟。所述步骤S2中瓷绝缘子串建模的好处为：既能够准确获得关键位置绝缘子中各部件的力学特性，又能够缩减计算规模。进一步的，所述步骤S2中瓷绝缘子串计算模型的建立方法为：将梁单元的长度等效为绝缘子片高度，梁截面采用圆形截面，上段取其直径为绝缘子片钢帽平均直径，下段取其直径为绝缘子片钢脚处直径，单元材料性质与钢帽、钢脚相同，梁单元质量等于绝缘子片质量，形成瓷绝缘子串计算模型，根据绝缘子片质量、单元长度及单元直径，计算出梁的等效密度，瓷绝缘子串通过球窝连接而成，在连接处能发生一定的转动，当转动达到一定的程度后，转动便被限制，相当于有限位的球铰，因此在选用梁单元对每片绝缘子进行模拟时，还需对节点转动自由度进行释放和限定。进一步的，所述步骤S2中采用悬链线方程建立输电导线模型具体包括以下步骤：S2-1：输电导线在自重荷载作用下呈悬链线形态，其几何形态采用悬链线方程描述：式中：y为计算点纵坐标，x为计算点的横坐标，T是导线的水平张力，q为导线单位长度所受重力，H为跨距，V是导线两端挂点高差；S2-2：对式(1)沿曲线积分，求得输电导线的长度s为：S2-3：根据水平张力及重力作用下导线的弹性应变，可求得导线的弹性伸长量Δs为：S2-4：由式(3)和式(4)可以求得，无应力形态输电线长度s0为：s0＝s-Δs(5)S2-5：将T代入式(2)可计算出β，然后由式(5)得到在不受应力作用下的导线长度s0，再把s0代入式(3)求得无应力状态下的β0，最后通过式(1)便可建立无应力状态输电线的有限元模型，施加重力荷载后便为输电线的实际形状。进一步的，所述步骤S3中采用多点约束算法MPC对瓷绝缘子串和输电导线耦合模型进行装配时，选取导线模型(梁单元)的端点作为主节点(导向节点)，选取钢脚的脚球端面上的节点为从节点，接触算法设为MPC方法，并释放节点转动自由度。进一步的，所述步骤S4中选用二阶单元对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型进行有限元网格剖分，可提高计算精度。因为二次单元比一阶单元多了一个中间节点，单元的形函数使用二次多项式插值，计算精度比一阶的高。采用二次单元时，可以较好的得到应力集中现象，并且，二阶单元能够很好的模拟单元边界为曲边的情况，可以用很少的单元准确的模拟曲面。进一步的，所述步骤S7中施加的载荷包括风荷载、覆冰荷载和地震荷载，其中风荷载由下列公式求出：W0＝ρv2/2ph＝αW0μzμscdsin2θ其中，W0为基准风压标准值；ρ为空气密度，其标准值为1.25kg/m3；v为风速；ph为垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载值；α为风压不均匀系数；μz为风压高度变化系数；μsc为导线的体型系数；d为导线的外径，分裂导线取所有子导线外径总和；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；覆冰荷载由下列公式求出：qa＝0.6·b·α2·γ·10-3其中，qa为单位面积上的覆冰载荷；b为基本覆冰厚度；α2为覆冰厚度的高度递增系数；γ为覆冰重度，一般取9KN/m2；地震荷载等由下列公式求出：式中：γ＝0.9+(0.05-ξ)/(0.3+6ξ)，η1＝0.02+(0.05-ξ)/(4+32ξ)，η2＝1+(0.05-ξ)/(0.08+1.6ξ)，α为地震影响系数；αmax为地震影响系数最大值；T为结构自振周期；γ为曲线下降段的衰减指数；ξ为结构阻尼比；η为下降段斜率调整系数；η2为阻尼调整系数。进一步的，所述步骤S4中设置的接触关系包括瓷件与外层水泥的摩擦接触和瓷件与内层水泥的摩擦接触。进一步的，所述步骤S6中评估瓷绝缘子机械性能时，钢帽、钢脚采用第四强度理论进行评估，水泥、瓷件采用第一强度理论进行评估。进一步的，所述步骤S6中提取的计算结果是通过图形显示应力场、应变场和位移场分布。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1：建立单片瓷绝缘子几何模型；/nS2：基于单片瓷绝缘子几何模型建立瓷绝缘子串计算模型，将模型上的铁塔端部、导线端部、绝缘子串中间以及含缺陷的绝缘子所在位置处的绝缘子进行实体建模，其余的绝缘子采用梁单元进行建模；采用悬链线方程建立输电导线模型；/nS3：将步骤S2中所建立的瓷绝缘子串计算模型和输电导线模型进行装配，装配采用多点约束算法MPC，形成瓷绝缘子串-输电导线耦合模型；/nS4：对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型进行有限元网格剖分；对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型定义边界、施加载荷、设置接触关系；/nS5：在步骤S4中定义的边界、施加载荷、设置接触关系的基础上，将瓷绝缘子串-输电导线有限元模型提交计算；/nS6：提取计算结果，评估瓷绝缘子机械性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：建立单片瓷绝缘子几何模型；
S2：基于单片瓷绝缘子几何模型建立瓷绝缘子串计算模型，将模型上的铁塔端部、导线端部、绝缘子串中间以及含缺陷的绝缘子所在位置处的绝缘子进行实体建模，其余的绝缘子采用梁单元进行建模；采用悬链线方程建立输电导线模型；
S3：将步骤S2中所建立的瓷绝缘子串计算模型和输电导线模型进行装配，装配采用多点约束算法MPC，形成瓷绝缘子串-输电导线耦合模型；
S4：对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型进行有限元网格剖分；对瓷绝缘子串-输电导线耦合模型定义边界、施加载荷、设置接触关系；
S5：在步骤S4中定义的边界、施加载荷、设置接触关系的基础上，将瓷绝缘子串-输电导线有限元模型提交计算；
S6：提取计算结果，评估瓷绝缘子机械性能。


2.根据权利要求1所述的一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：所述步骤S2中瓷绝缘子串计算模型的建立方法为：将梁单元的长度等效为绝缘子片高度，梁截面采用圆形截面，上段取其直径为绝缘子片钢帽平均直径，下段取其直径为绝缘子片钢脚处直径，单元材料性质与钢帽、钢脚相同，梁单元质量等于绝缘子片质量，形成瓷绝缘子串计算模型。


3.根据权利要求1所述的一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：所述步骤S2中采用悬链线方程建立输电导线模型具体包括以下步骤：
S2-1：输电导线在自重荷载作用下呈悬链线形态，其几何形态采用悬链线方程描述：






式中：y为计算点纵坐标，x为计算点的横坐标，T是导线的水平张力，q为导线单位长度所受重力，H为跨距，V是导线两端挂点高差；
S2-2：对式(1)沿曲线积分，求得输电导线的长度s为：



S2-3：根据水平张力及重力作用下导线的弹性应变，可求得导线的弹性伸长量Δs为：



S2-4：由式(3)和式(4)可以求得，无应力形态输电线长度s0为：
s0＝s-Δs(5)
S2-5：将T代入式(2)可计算出β，然后由式(5)得到在不受应力作用下的导线长度s0，再把s0代入式(3)求得无应力状态下的β0，最后通过式(1)便可建立无应力状态输电线的有限元模型，施加重力荷载后便为输电线的实际形状。


4.根据权利要求1所述的一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于：所述步骤S3中采用多点约束算法MPC对瓷绝缘子串和输电导线耦合模型进行装配时，选取导线模型的端点作为主节点，选取钢脚的脚球端面上的节点为从节点，接触算法设为MPC方法，并释放节点转动自由度。


5.根据权利要求1所述的一种瓷绝缘子运行荷载条件下机械性能评估的有限元分析方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，高嵩，李来福，姜海波，张迺龙，王宇，贾勇勇，许爱斌，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司，北京云道智造科技有限公司，江苏省电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32