基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法及系统。本发明专利技术动力学分析方法采用的技术方案包括：根据某转角输电杆塔的工程实际数据建立输电杆塔有限元模型；针对输电杆塔的结构特点，对输电杆塔有限元模型进行模态分析；结合快速傅里叶变换的谐波叠加法，通过仿真软件模拟输电杆塔的空间脉动风速；将动态风载荷沿0

【技术实现步骤摘要】
基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法及系统


[0001]本专利技术属于输电杆塔结构分析领域，具体地说是一种基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法及系统。

技术介绍

[0002]输变电塔线体系是电力系统的重要组成部分，是电力系统安全可靠运行的基石，将电力安全稳定地传输到各行各业，保证社会稳定有序地开展作业。作为电力系统的大动脉，开展其稳定性及安全性分析尤其重要。输变电塔线系统工作于外部曝露环境，常年受日光、风雨等天气影响，特别在自然灾害以及极端恶劣天气的工况下，对电力系统的稳定和安全将会带来影响，严重的将导致输电线路杆塔振动、线路舞动、线路器件损坏甚至失稳倒塌，不仅导致电力系统运行瘫痪，也会给社会带来巨大的经济损失。全面了解掌握输电杆塔在受风载荷、地震载荷等各种载荷综合作用下的动力特性，是提高输电线路安全性与稳定性的重中之重。
[0003]近年来，随着有限元分析的高速发展，其建模仿真的高效、准确等特点受到许多行业的青睐，通过建立输电线路杆塔结构准确的有限元模型，研究脉动风载荷下的输电线路杆塔的动力学响应，对于输电杆塔结构的风本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法，其特征在于，包括步骤：a)根据某转角输电杆塔的工程实际数据建立输电杆塔有限元模型；b)针对输电杆塔的结构特点，对输电杆塔有限元模型进行模态分析；c)结合快速傅里叶变换的谐波叠加法，通过仿真软件模拟输电杆塔的空间脉动风速；d)将动态风载荷沿0
°
风向角作用在塔顶节点上，对输电杆塔的动态响应方程进行时域分析求解，得到不同风向角下塔顶的位移响应。2.根据权利要求1所述的基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法，其特征在于，步骤a)中，转角输电杆塔的工程实际数据包括塔高、呼高、档距和塔基尺寸，角钢与角钢之间用螺栓和连接板连接，忽略螺栓和连接板的几何尺寸效应，将角钢构件设置为刚接，采用Ansys有限元软件中Beam188单元对输电杆塔的角钢构件进行建模。3.根据权利要求1所述的基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法，其特征在于，步骤b)中，所述的模态分析包括模态求解、扩展模态和结果观察，具体过程如下：对输电杆塔有限元模型进行模态分析处理，模态分析的实质是计算输电杆塔结构振动特征方程的特征值和特征向量，根据结构动力学基本方程：上式中：M为输电杆塔的整体质量矩阵；C为输电杆塔的整体阻尼矩阵；K为输电杆塔的整体刚度矩阵；为结构加速度向量；为结构速度向量；X为结构位移向量；F(t)为加载在结构上的载荷；t为时间；忽略结构阻尼，在无外荷载的作用下输电杆塔结构自由振动动力学方程为：当输电杆塔结构在固有频率下发生振动时，其输电杆塔结构速度和加速度向量表示为：为：上式中，为结构节点位移的节点振幅矩阵；ω为固有频率；为结构发生振动的相位；将上式(3)与(4)带入式(2)得：按自由振动理论，r阶自由度系统的自由振动方程式有r个固有频率ω
i
，i＝1,2,3,
…
,n，并且由频率行列式决定，即：|K
‑
ω2M|＝0，
ꢀꢀꢀꢀ
(6)当输电杆塔有限元模型的自由度为y时，式(6)具有y个特征值，记λ
j
为第j个特征值，其平方根ω
j
是结构的第j阶固有频率，并且是相应的第j阶特征向量，特征向量即为输电杆塔结构的模态振型，是输电杆塔结构在第j阶模态振型下的变形状态。4.根据权利要求1所述的基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法，其特征在于，步骤c)中，模拟输电杆塔空间脉动风速的方法为：将风荷载视为静力风/平均风与动力风/脉动风的共同作用，在任意时刻高度Z处的风速v(z，t)表示为平均风速与脉动风速之和：
式中，为Z高度处的平均风速，v
f
(z，t)为Z高度处的脉动风速；平均风速与高度之间的变化规律称为风剖面，风剖面用指数律模拟：式中，为任一点平均风速，z为任一点的高度；为10m处基准平均风速；α为地面粗糙度系数；脉动风是一个均值为零的高斯随机过程，功率谱密度是对其均方值的量度，脉动风自功率谱的一种表达式Davenport谱为：式中，k为与地面粗糙度有关的系数，γ为脉动风频率，运用基于快速傅里叶变换技术的谐波叠加法：p＝0，1，2，
…
2N，j＝0，1，2，
…
n；其中，q是p/2N的余数，q＝0，1，2，
…
2n
‑
1；h
jm
(qΔt)由下式给出：其中：其中，m为风谱在频域内划分的分部数；Δt为时间增量；Δω为频率增量；S(ω)为互功率谱密度矩阵；G
jm
为快速傅里叶变换中分解矩阵的元素；为两个不同作用点之间的相位角；l为步长；计算得到脉动风速时程图和自功率谱对比图；其中，自功率谱对比图反映通过脉动风速时程图形成的功率谱与达文波特功率谱之间拟合效果的优劣；输电杆塔每段单个节点的动态风荷载计算公式为：ω
s
＝ω
k
μ
s
A0，其中，ω
k
为对应高度的脉动风压；μ
s
为转角输电杆塔的风荷载体型系数，A0为迎风投影面积；脉动风压ω
k
通过脉动风速由公式ω
k
＝0.5ρv2转换得到，ρ表示迎风面的方向系数；v表
示脉动风速；风荷载体型系数μ
s
由公式：μ
s
＝1.3(1+η)计算得到，其中η为背风面的风载荷降低系数，最后模拟出塔顶的脉动风载荷时程曲线图。5.根据权利要求1所述的基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法，其特征在于，步骤d)中，对输电杆塔的动态响应方程进行时域分析求解方法为：输电杆塔在稳态风的作用下，动态响应方程为：其中，M为输电杆塔的整体质量矩阵，C为输电杆塔的整体阻尼矩阵，K为输电杆塔的整体刚度矩阵；和u分别为节点的加速度、速度以及位移向量，F为输电杆塔线体系所受的动态风荷载；将动态风载荷F沿0
°
风向角作用在塔顶上，对输电杆塔的动态响应方程进行时域分析求解。6.基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振国，李特，朱瑞，刘黎，赵文斌，王少华，龚一城，姜恒，姜凯华，曹俊平，陶瑞祥，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：