專利名稱：鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)線舞動(dòng)是覆冰導(dǎo)線在相對(duì)穩(wěn)定風(fēng)的激勵(lì)下產(chǎn)生的流固耦合非線性振動(dòng)。覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)幅度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，危害大。輕則相間閃絡(luò)、損壞導(dǎo)線、金具，重則 導(dǎo)致線路跳間停電、斷線倒塔等事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。2008年的南方冰災(zāi)就出現(xiàn)多條輸 電線路鐵塔因?yàn)閷?dǎo)線舞動(dòng)而破壞的事故。導(dǎo)線舞動(dòng)在時(shí)間和空間上具有偶然性，難于觀測(cè)。 我國(guó)是舞動(dòng)頻發(fā)的國(guó)家，導(dǎo)線舞動(dòng)成為威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。20世紀(jì)30年代以來(lái)，一些學(xué)者對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理、舞動(dòng)規(guī)律做了大量的研究，提出 了多種舞動(dòng)機(jī)理學(xué)說(shuō)，包括Den Hartog的垂直舞動(dòng)機(jī)理、0. Nigol的扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理、P. Yu的 偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理、陣風(fēng)誘發(fā)機(jī)理等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)線的舞動(dòng)也做了大量的實(shí)驗(yàn)研 究，提出了一些有效的并已在工程實(shí)踐中得到運(yùn)用的防舞措施。以往的舞動(dòng)研究多著眼于導(dǎo)線舞動(dòng)本身，而把鐵塔近似為某種彈簧支撐邊界，這 種研究方法具有如下缺點(diǎn)(1)、沒(méi)有考慮鐵塔、導(dǎo)線、防舞器之間的耦合效應(yīng)；(2)、沒(méi)有考 慮相鄰檔導(dǎo)線在舞動(dòng)過(guò)程中的相互耦合、相互影響；(3)、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)輸電線路鐵塔的 影響研究很少，鐵塔的在舞動(dòng)條件下的安全性研究很少提及。因此，在研究導(dǎo)線舞動(dòng)的過(guò)程中考慮鐵塔、導(dǎo)線、防舞器之間的耦合效應(yīng)，提升輸 電鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的設(shè)計(jì)理論和水平，提高鐵塔的抗舞承載能力，為方便計(jì)算和工程設(shè)計(jì) 服務(wù)成為了一項(xiàng)非常重要的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有導(dǎo)線舞動(dòng)的研究沒(méi)有考慮導(dǎo)線與鐵塔及防舞器 的耦合效應(yīng)、僅將鐵塔近似為某種彈簧支撐邊界的不足；而提供一種鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦 合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法。本發(fā)明利用三維大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、非線性動(dòng)態(tài)顯式有限元方法計(jì)算覆冰導(dǎo)線的舞 動(dòng)過(guò)程，建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合模型，考慮鐵塔與導(dǎo)線和防舞器的耦合效應(yīng)，計(jì)算分析 加裝防舞器后導(dǎo)線的舞動(dòng)規(guī)律以及鐵塔在導(dǎo)線舞動(dòng)作用下的受力狀態(tài)，以便對(duì)鐵塔抗舞承 載能力進(jìn)行安全性評(píng)估?？蓪?shí)現(xiàn)鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合體系的快速建模、舞動(dòng)計(jì)算分析和 計(jì)算結(jié)果的輸出，可動(dòng)畫(huà)顯示導(dǎo)線舞動(dòng)的全過(guò)程，以圖形、文本形式輸出導(dǎo)線端部張力的時(shí) 間歷程曲線以及鐵塔構(gòu)件內(nèi)力的時(shí)間歷程曲線，作為鐵塔抗舞設(shè)計(jì)的依據(jù)。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下措施來(lái)達(dá)到的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線 舞動(dòng)的方法，其特征在于它包括如下步驟(1)、建立鐵塔模型導(dǎo)入直立式鐵塔內(nèi)力分析軟件TTA生成的.dxf三維塔架線模 型，將塔架的.dxf中所有線信息轉(zhuǎn)化為有限元模型的單元信息，以確定單元在空間中的位 置；對(duì)已經(jīng)生成的有限元模型中每個(gè)單元截面的尺寸進(jìn)行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out結(jié)果文件，并定義單元類型為梁?jiǎn)卧愋突驐U單元類型；在塔架有限元模型的單元截面尺 寸及其在空間的位置確定之后，再對(duì)梁?jiǎn)卧慕孛娉蜻M(jìn)行調(diào)整，使得梁?jiǎn)卧孛娣较蚺c 實(shí)際情況完全相同，即得到一個(gè)鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實(shí)際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位 高程建立多個(gè)鐵塔模型；(2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)，包括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂 圓截面半徑、耐張絕緣子串長(zhǎng)度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動(dòng)力系數(shù)；定 義導(dǎo)線絕緣子串、分裂導(dǎo)線間隔棒的單元類型和材料屬性，其中絕緣子串定義為桿單元，間 隔棒定義為梁?jiǎn)卧?；所述的?dǎo)線參數(shù)包括截面半徑、鋼芯截面面積、鋁絞線截面面積、單位重量、彈性 模量，覆冰參數(shù)為半橢圓型長(zhǎng)軸方向的覆冰厚度，所述的氣動(dòng)力系數(shù)由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)根據(jù)覆冰 參數(shù)、導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定；(3)、建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點(diǎn)上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線 的架線張力和單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量；采用二分迭代法對(duì)導(dǎo)線的初始形狀進(jìn)行計(jì)算，使導(dǎo)線在施加 重力和初始張力后到達(dá)穩(wěn)定平衡；所述的初始張力T = O. 25Tp，Tp為導(dǎo)線的破斷力；在 分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實(shí)際間距添加相內(nèi)間隔棒；按照工程實(shí)際在分裂導(dǎo)線上添加防舞器，通過(guò) GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)輸入防舞器尺寸、重量及安裝位置；(4)、在建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點(diǎn)荷載，設(shè)置塔腳 節(jié)點(diǎn)約束，對(duì)塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，定義荷 載曲線；設(shè)置時(shí)間參數(shù)計(jì)算結(jié)束時(shí)間和計(jì)算結(jié)果輸出時(shí)間間隔，生成計(jì)算文件，利用核心 計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算求解；(5)、計(jì)算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動(dòng)動(dòng)畫(huà)，通過(guò)圖形輸 出導(dǎo)線任一截面的舞動(dòng)軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間歷程曲線計(jì)算出導(dǎo)線的舞動(dòng) 頻率、舞動(dòng)幅值；直接計(jì)算輸出鐵塔單元的內(nèi)力_時(shí)間歷程曲線；(6)、根據(jù)計(jì)算輸出的鐵塔單元內(nèi)力-時(shí)間歷程曲線校核鐵塔單元的承載力，據(jù)此 判斷鐵塔單元是否需要進(jìn)行加強(qiáng)。在上述技術(shù)方案中，所述第(4)步中核心計(jì)算模塊計(jì)算求解的方法為第一步讀取鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型；第二步在0 < t <= 200秒，在導(dǎo)線上緩慢加載重力及靜風(fēng)載荷；在200 < t < = 300秒，保持重力及靜風(fēng)載荷；在300 < t < T秒，加入動(dòng)態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時(shí)間；第三步通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度、加速度、角速度、 角加速度；第四步根據(jù)第三步的數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)線單元速度、加速度、角速度、角加速度及攻角 變化；第五步根據(jù)第四步的數(shù)據(jù)求得導(dǎo)線單元所受的舞動(dòng)載荷；第六步根據(jù)第五步的數(shù)據(jù)將載荷平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)；第七步根據(jù)第六步的數(shù)據(jù)將平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)上的載荷加入第二步中的在 300 < t < T秒的動(dòng)態(tài)載荷；
第八步根據(jù)第七步得到的動(dòng)態(tài)載荷對(duì)下一時(shí)刻再進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，進(jìn)入第三步；再進(jìn)入第四步、第五步、第六步、第七步、第八步如此循環(huán)；第九步將第三步中與設(shè)定的輸出時(shí)間相符的數(shù)據(jù)記錄并輸出。在上述技術(shù)方案中，所述確定導(dǎo)線初始形狀的二分迭代法為步驟1 求導(dǎo)線在重力和架線張力的平衡下的形狀；步驟2 對(duì)所求得的形狀進(jìn)行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)差值乘上一個(gè)小于1. 0的系數(shù)Il，形成新的導(dǎo)線形狀；步驟3 對(duì)新的導(dǎo)線形狀進(jìn)行重力加載計(jì)算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力；步驟4 對(duì)比計(jì)算出的水平張力和架線張力，如果水平張力小于架線張力，減小系 數(shù)η，反之增大，該系數(shù)根據(jù)二分法確定；步驟5 重復(fù)步驟2至步驟4，直到水平張力與架線張力相等，當(dāng)差值絕對(duì)值小于 50Ν時(shí)，認(rèn)為相等，此時(shí)得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀。本發(fā)明通過(guò)建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型；對(duì)導(dǎo)線施加舞動(dòng)荷載進(jìn)行有限 元計(jì)算分析；并利用后處理模塊，以動(dòng)畫(huà)、圖形和文本格式輸出計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，考慮了鐵塔、導(dǎo)線、 防舞器的耦合效應(yīng)，對(duì)加裝防舞器后導(dǎo)線舞動(dòng)規(guī)律的研究更具準(zhǔn)確性，也可計(jì)算分析導(dǎo)線 舞動(dòng)對(duì)鐵塔的影響，研究鐵塔抗舞動(dòng)的承載能力，提供鐵塔單元加強(qiáng)的依據(jù)，可滿足科研、 工程設(shè)計(jì)的需要。


圖1為GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)主界面；圖2為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型圖；圖3為覆冰導(dǎo)線的截面示意圖；圖4為覆冰導(dǎo)線受力圖示意圖；圖5為本發(fā)明核心計(jì)算模塊的程序方框圖；圖6為本發(fā)明中導(dǎo)線懸鏈的曲線圖；圖7為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖；圖8為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間歷程曲 線.
一入 ，圖9為六分裂導(dǎo)線防舞器布置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，僅 作舉例而已。同時(shí)通過(guò)說(shuō)明，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和容易理解。本發(fā)明的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法是先建立鐵塔、導(dǎo) 線、防舞器耦合系統(tǒng)模型，然后將系統(tǒng)受到的載荷作為激勵(lì)，通過(guò)非線性動(dòng)態(tài)有限元方法中 的中心差分法求解系統(tǒng)的響應(yīng)，最后通過(guò)GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)的后處理模塊輸出計(jì)算結(jié) 果，整個(gè)過(guò)程均在GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)(另申請(qǐng)計(jì)算機(jī)軟件登記)中進(jìn)行，方便、快捷。圖1為GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)主界面，GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)的主要功能如下 從.dxf文件中導(dǎo)入塔架模型；從.out文件中導(dǎo)入鐵塔單元截面尺寸；設(shè)置鐵塔單元的截面朝向；建立單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線模型；添加節(jié)點(diǎn)載荷和節(jié)點(diǎn)約束，添加載荷曲線和設(shè)置時(shí)間 控制參數(shù)；計(jì)算單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線的初始形狀；單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線的覆冰舞動(dòng)計(jì)算；鐵塔單 元內(nèi)力的時(shí)間歷程曲線輸出及文本輸出；節(jié)點(diǎn)位移的時(shí)間歷程曲線輸出及文本輸出；整體 塔架位移的動(dòng)畫(huà)顯示；導(dǎo)線任一截面舞動(dòng)軌跡的動(dòng)畫(huà)顯示。
圖2為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型圖，兩端為耐張塔，掛一相六分裂導(dǎo)線，檔 距 400m。圖3為覆冰導(dǎo)線的截面示意圖，圖中顯示了導(dǎo)線鋼芯直徑7. 04mm、導(dǎo)線外徑 23. 94mm、半橢圓型長(zhǎng)軸方向的覆冰厚度4. 0mm。圖4為覆冰導(dǎo)線受力圖示意圖，圖中e為偏心距，G1為覆冰重力，G2為導(dǎo)線重力， θ角為初始攻角，τ)為導(dǎo)線y方向速度，Α為導(dǎo)線ζ方向速度，U為風(fēng)速，β為相對(duì)風(fēng)速與y 方向夾角，扎為因?yàn)閷?dǎo)線平動(dòng)引起的相對(duì)風(fēng)速，α為相對(duì)風(fēng)速的攻角，F(xiàn)Jx)為氣動(dòng)升力， Fd(X)為氣動(dòng)阻力，Ma(X)為氣動(dòng)扭矩。圖6為本發(fā)明中導(dǎo)線懸鏈的曲線圖，圖中A、B為等高懸掛點(diǎn)，L為檔距，0點(diǎn)為導(dǎo) 線懸鏈曲線最低點(diǎn)，X為曲線任一點(diǎn)離0點(diǎn)的水平距離，Iitl為0點(diǎn)與水平參考線的距離。圖7為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖中 所示曲線為六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，包含從0時(shí)刻開(kāi)始直至計(jì)算結(jié)束時(shí)刻內(nèi)節(jié)點(diǎn) 的y、ζ坐標(biāo)信息，可以看出，添加防舞器后導(dǎo)線舞動(dòng)以豎直方向?yàn)橹?，水平方向?yàn)檩o。圖8為鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間歷程曲 線。圖中，Ux、Uy、Uz*U分別為節(jié)點(diǎn)沿X、y、z軸方向和合方向的位移，可以看出導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí) 節(jié)點(diǎn)位移以豎直方向位移為主。圖9為六分裂導(dǎo)線防舞器布置示意圖。本發(fā)明鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，它包括如下步驟(1)、建立鐵塔模型導(dǎo)入直立式鐵塔內(nèi)力分析軟件TTA生成的.dxf三維塔架線模 型，將塔架的.dxf中所有線信息轉(zhuǎn)化為有限元模型的單元信息，以確定單元在空間中的位 置；對(duì)已經(jīng)生成的有限元模型中每個(gè)單元截面的尺寸進(jìn)行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out 結(jié)果文件，并定義單元類型為梁?jiǎn)卧愋突驐U單元類型；在塔架有限元模型的單元截面尺 寸及其在空間的位置確定之后，再對(duì)梁?jiǎn)卧慕孛娉蜻M(jìn)行調(diào)整，使得梁?jiǎn)卧孛娣较蚺c 實(shí)際情況完全相同，即得到一個(gè)鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實(shí)際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位 高程建立多個(gè)鐵塔模型；(2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)，包括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂 圓截面半徑、耐張絕緣子串長(zhǎng)度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動(dòng)力系數(shù)；定 義導(dǎo)線絕緣子串、分裂導(dǎo)線間隔棒的單元類型和材料屬性，其中絕緣子串定義為桿單元，間 隔棒定義為梁?jiǎn)卧凰龅膶?dǎo)線參數(shù)包括截面半徑、鋼芯截面面積、鋁絞線截面面積、單位重量、彈性 模量，覆冰參數(shù)為半橢圓型長(zhǎng)軸方向的覆冰厚度，所述的氣動(dòng)力系數(shù)由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)根據(jù)覆冰 參數(shù)、導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定；(3)、建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點(diǎn)上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線 的架線張力和單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量；采用二分迭代法對(duì)導(dǎo)線的初始形狀進(jìn)行計(jì)算，使導(dǎo)線在施加 重力和初始張力后到達(dá)穩(wěn)定平衡；所述的初始張力T = O. 25Tp，Tp為導(dǎo)線的破斷力；在分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實(shí)際間距添加相內(nèi)間隔棒；按照工程實(shí)際在分裂導(dǎo)線上添加防舞器，通過(guò)GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)輸入防舞器尺寸、重量及安裝位置；(4)、在建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點(diǎn)荷載，設(shè)置塔腳 節(jié)點(diǎn)約束，對(duì)塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，定義荷 載曲線；設(shè)置時(shí)間參數(shù)計(jì)算結(jié)束時(shí)間和計(jì)算結(jié)果輸出時(shí)間間隔，生成計(jì)算文件，利用核心 計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算求解；(5)、計(jì)算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動(dòng)動(dòng)畫(huà)，通過(guò)圖形輸 出導(dǎo)線任一截面的舞動(dòng)軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間歷程曲線計(jì)算出導(dǎo)線的舞動(dòng) 頻率、舞動(dòng)幅值；直接計(jì)算輸出鐵塔單元的內(nèi)力_時(shí)間歷程曲線；(6)、根據(jù)計(jì)算輸出的鐵塔單元內(nèi)力_時(shí)間歷程曲線校核鐵塔單元的承載力，據(jù)此 判斷鐵塔單元是否需要進(jìn)行加強(qiáng)。所述第(4)步中核心計(jì)算模塊計(jì)算求解的方法為第一步讀取鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型；第二步在0 < t < = 200秒，在導(dǎo)線上緩慢加載重力及靜風(fēng)載荷；在200 < t < = 300秒，保持重力及靜風(fēng)載荷；在300 < t < T秒，加入動(dòng)態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時(shí)間；第三步通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度、加速度、角速度、 角加速度；第四步根據(jù)第三步的數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)線單元速度、加速度、角速度、角加速度及攻角 變化；第五步根據(jù)第四步的數(shù)據(jù)求得導(dǎo)線單元所受的舞動(dòng)載荷；第六步根據(jù)第五步的數(shù)據(jù)將載荷平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)；第七步根據(jù)第六步的數(shù)據(jù)將平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)上的載荷加入第二步中的在 300 < t < T秒的動(dòng)態(tài)載荷；第八步根據(jù)第七步得到的動(dòng)態(tài)載荷對(duì)下一時(shí)刻再進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，進(jìn)入第三步； 再進(jìn)入第四步、第五步、第六步、第七步、第八步如此循環(huán)；第九步將第三步中與設(shè)定的輸出時(shí)間相符的數(shù)據(jù)記錄并輸出。在上述技術(shù)方案中，所述確定導(dǎo)線初始形狀的二分迭代法為步驟1 求導(dǎo)線在重力和架線張力的平衡下的形狀；步驟2 對(duì)所求得的形狀進(jìn)行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)差值乘 上一個(gè)小于1. 0的系數(shù)η，形成新的導(dǎo)線形狀；步驟3 對(duì)新的導(dǎo)線形狀進(jìn)行重力加載計(jì)算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力；步驟4 對(duì)比計(jì)算出的水平張力和架線張力，如果水平張力小于架線張力，減小系 數(shù)η，反之增大，該系數(shù)根據(jù)二分法確定；步驟5 重復(fù)步驟2至步驟4，直到水平張力與架線張力相等，當(dāng)差值絕對(duì)值小于 50Ν時(shí)，認(rèn)為相等，此時(shí)得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀。下面通過(guò)計(jì)算分析對(duì)比說(shuō)明初始形狀計(jì)算的準(zhǔn)確性和必要性按照本發(fā)明提出的方法確定的初始形狀和假定為直線的初始形狀，在加載重力之 后的馳度與拋物線理論解進(jìn)行對(duì)比、導(dǎo)線水平張力與設(shè)定的架線張力進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明本發(fā)明方法的準(zhǔn)確性和必要性。基于拋物線理論的懸鏈(導(dǎo)線)計(jì)算方程為 式中，y為任意點(diǎn)的縱坐標(biāo)，S為檔距中點(diǎn)0到橫坐標(biāo)為X的點(diǎn)之間的導(dǎo)線實(shí)際長(zhǎng) 度(如圖5所示)，奐，H為導(dǎo)線水平張力，q為均布載荷值(只受重力時(shí)為單位長(zhǎng)度導(dǎo)
q
線重量)。取單根LGJ-300/40導(dǎo)線(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))、400米檔距、兩端雙耐張塔、架線張力為 24000牛、重力加速度9. 80665米7秒(對(duì)應(yīng)北半球維度20-40°區(qū)域內(nèi)重力加速度)。1、拋物線理論按照拋物線理論解，上述導(dǎo)線的馳度為9. 258米；2、直線初始形狀假定初始形狀為直線，加載重力后得到導(dǎo)線的馳度為7.72米，比理論解小 16. 57% ；得到的水平張力為=28774. 1牛，比設(shè)定的架線張力大19. 89% ；3、按照本發(fā)明方法計(jì)算出的初始形狀按照本發(fā)明方法，計(jì)算出的初始形狀并不為直線，加載重力后得到導(dǎo)線的馳度 為9. 278米，比理論解大0. 216% ；得到的水平張力為23947. 3牛，比設(shè)定的架線張力小 0. 22% ；從上不難看出，如果假定初始形狀為一條直線，在加載重力后不僅馳度不準(zhǔn)確， 而且導(dǎo)線的水平張力也與架線張力不符合；如果按照本發(fā)明方法進(jìn)行初始形狀的確定，在 加載重力后，導(dǎo)線馳度與理論解誤差為僅0.216%，得到的水平張力與架線張力誤差僅為 0. 22%。對(duì)比可以看出，本發(fā)明提出的初始形狀計(jì)算方法不僅有必要，而其計(jì)算準(zhǔn)確率也極
尚ο下面對(duì)覆冰導(dǎo)線等效為單一一種材料及截面尺寸的方法進(jìn)行說(shuō)明覆冰導(dǎo)線的等效面積和等效密度計(jì)算實(shí)際覆冰導(dǎo)線由鋁、鋼、覆冰三種材料組成 (導(dǎo)線也可采用其它金屬制成)，因此需將覆冰導(dǎo)線等效為單一一種材料及截面尺寸，計(jì)算 其等效面積和等效密度。導(dǎo)線等效面積為 覆冰導(dǎo)線的等效密度為P = (Mcalc+Aicepice)/A式中，Aiee為截面上覆冰的面積，P ice為冰的密度，取為897. 6kg/m3,Mcalc為單位長(zhǎng) 度導(dǎo)線的計(jì)算重量。下面對(duì)核心計(jì)算模塊中采用的梁?jiǎn)卧M(jìn)行說(shuō)明
處理中使用Belytschko梁?jiǎn)卧x散覆冰導(dǎo)線，該梁?jiǎn)卧褂霉残夹g(shù)來(lái)處理大 轉(zhuǎn)動(dòng)，把梁的變形分為剛體平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)與真實(shí)變形，剛體位移不產(chǎn)生應(yīng)變，只有真實(shí)變形才 產(chǎn)生應(yīng)變，適合于導(dǎo)線的舞動(dòng)過(guò)程的大位移大轉(zhuǎn)動(dòng)處理。下面對(duì)核心計(jì)算模塊中的靜態(tài)載荷進(jìn)行說(shuō)明導(dǎo)線的靜態(tài)載荷包括有重力和風(fēng)載兩大部分。導(dǎo)線的自重可以通過(guò)整體的沿重力 方向的加速度給定，而導(dǎo)線的靜風(fēng)載荷可以通過(guò)下式得到。靜風(fēng)載荷表達(dá)式 式中，U即為風(fēng)速，α即為攻角，氣動(dòng)力系數(shù)取風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的取值，式中為空氣 密度，d為導(dǎo)線直徑，F(xiàn)l(X) ,Fd(X)、和Ma(X)分別為導(dǎo)線在X處的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和氣動(dòng) 力矩。由于GTA計(jì)算仿真平臺(tái)是動(dòng)態(tài)的顯式分析方法，為了盡量準(zhǔn)確的模擬導(dǎo)線在靜風(fēng) 載、重力作用下的平衡狀態(tài)，通過(guò)緩慢加載載荷并最終保持載荷一段時(shí)間的方法對(duì)靜平衡 狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。在根據(jù)上式計(jì)算出一定風(fēng)速和初始攻角下的靜風(fēng)載后，通過(guò)緩慢加載的方法將靜 風(fēng)載加載于導(dǎo)線的節(jié)點(diǎn)上。該加載過(guò)程共計(jì)算200s(s表示秒)，載荷每1. Os增加0. 5%, 在200s時(shí)刻載荷變?yōu)?00% ；之后保持100%載荷IOOs時(shí)間，使得導(dǎo)線波動(dòng)的范圍已經(jīng)在 可以接受的范圍之內(nèi)；在300s時(shí)刻，撤銷靜風(fēng)載，并用動(dòng)態(tài)舞動(dòng)載荷替換，之后開(kāi)始動(dòng)態(tài)舞 動(dòng)計(jì)算。下面對(duì)核心計(jì)算模塊中的動(dòng)態(tài)舞動(dòng)載荷進(jìn)行說(shuō)明動(dòng)態(tài)舞動(dòng)載荷是指覆冰導(dǎo)線在舞動(dòng)時(shí)承受的載荷，包括導(dǎo)線重力、覆冰重力和慣 性力，偏心覆冰導(dǎo)致的偏心扭矩和覆冰運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性扭矩，以及動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷(包括由 風(fēng)產(chǎn)生的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)扭矩)。在風(fēng)的作用下，導(dǎo)線會(huì)受到垂直、水平以及扭轉(zhuǎn)作用力(如圖4示)，這些作用力的 大小與導(dǎo)線長(zhǎng)度為線性關(guān)系，假設(shè)單位長(zhǎng)度的氣動(dòng)升力為FJx)、氣動(dòng)阻力為Fd(X)和氣動(dòng) 力矩為Ma(X)，它們近似沿χ軸分布，通常假定是準(zhǔn)定常的，表示為 式中為空氣密度，d為導(dǎo)線直徑，☆為導(dǎo)線ζ方向速度，U為風(fēng)速，β為相對(duì)風(fēng) 速與y方向夾角，α為相對(duì)風(fēng)速的攻角，氣動(dòng)力系數(shù)CJx)、CD(x)和Cm(X)可由相應(yīng)冰型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)比實(shí)例有、無(wú)防舞器的比較為了檢驗(yàn)防舞器的防舞效果，建立有、無(wú)防舞器的雙耐張塔-單相六分裂導(dǎo)線模 型(6分裂LGJ-300/40導(dǎo)線，400米檔距)，計(jì)算了兩種模型在8m/s風(fēng)速、30°初始攻角條 件下的舞動(dòng)情況。計(jì)算結(jié)果A.導(dǎo)線起舞階段所經(jīng)歷的時(shí)間從800s增加到5000s，說(shuō)明安裝雙擺防舞器可有效 抑制導(dǎo)線舞動(dòng)的形成；B.導(dǎo)線舞動(dòng)的最大幅值從3. 84m減小到1. 63m，減小程度達(dá)60%，說(shuō)明安裝雙擺防 舞器有效減小了舞動(dòng)的幅值；C.導(dǎo)線舞動(dòng)的頻率從21-22次/分鐘變?yōu)?0次/分鐘，說(shuō)明安裝雙擺防舞器可改 變導(dǎo)線的舞動(dòng)頻率。
通過(guò)該實(shí)例中有、無(wú)防舞器的導(dǎo)線舞動(dòng)規(guī)律的對(duì)比，本發(fā)明的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器 耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法安全可靠，方便實(shí)用。
權(quán)利要求
鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，其特征在于它包括如下步驟(1)、建立鐵塔模型導(dǎo)入直立式鐵塔內(nèi)力分析軟件TTA生成的.dxf三維塔架線模型，將塔架的.dxf中所有線信息轉(zhuǎn)化為有限元模型的單元信息，以確定單元在空間中的位置；對(duì)已經(jīng)生成的有限元模型中每個(gè)單元截面的尺寸進(jìn)行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out結(jié)果文件，并定義單元類型為梁?jiǎn)卧愋突驐U單元類型；在塔架有限元模型的單元截面尺寸及其在空間的位置確定之后，再對(duì)梁?jiǎn)卧慕孛娉蜻M(jìn)行調(diào)整，使得梁?jiǎn)卧孛娣较蚺c實(shí)際情況完全相同，即得到一個(gè)鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實(shí)際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位高程建立多個(gè)鐵塔模型；(2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)，包括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂圓截面半徑、耐張絕緣子串長(zhǎng)度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動(dòng)力系數(shù)；定義導(dǎo)線絕緣子串、分裂導(dǎo)線間隔棒的單元類型和材料屬性，其中絕緣子串定義為桿單元，間隔棒定義為梁?jiǎn)卧凰龅膶?dǎo)線參數(shù)包括截面半徑、鋼芯截面面積、鋁絞線截面面積、單位重量、彈性模量，覆冰參數(shù)為半橢圓型長(zhǎng)軸方向的覆冰厚度，所述的氣動(dòng)力系數(shù)由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)根據(jù)覆冰參數(shù)、導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定；(3)、建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點(diǎn)上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線的架線張力和單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量；采用二分迭代法對(duì)導(dǎo)線的初始形狀進(jìn)行計(jì)算，使導(dǎo)線在施加重力和初始張力后到達(dá)穩(wěn)定平衡；所述的初始張力T＝0.25Tp，Tp為導(dǎo)線的破斷力；在分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實(shí)際間距添加相內(nèi)間隔棒；按照工程實(shí)際在分裂導(dǎo)線上添加防舞器，通過(guò)GTA舞動(dòng)計(jì)算仿真平臺(tái)輸入防舞器尺寸、重量及安裝位置；(4)、在建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點(diǎn)荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點(diǎn)約束，對(duì)塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，定義荷載曲線；設(shè)置時(shí)間參數(shù)計(jì)算結(jié)束時(shí)間和計(jì)算結(jié)果輸出時(shí)間間隔，生成計(jì)算文件，利用核心計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算求解；(5)、計(jì)算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動(dòng)動(dòng)畫(huà)，通過(guò)圖形輸出導(dǎo)線任一截面的舞動(dòng)軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間歷程曲線計(jì)算出導(dǎo)線的舞動(dòng)頻率、舞動(dòng)幅值；直接計(jì)算輸出鐵塔單元的內(nèi)力-時(shí)間歷程曲線；(6)、根據(jù)計(jì)算輸出的鐵塔單元內(nèi)力-時(shí)間歷程曲線校核鐵塔單元的承載力，據(jù)此判斷鐵塔單元是否需要進(jìn)行加強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，其特征 在于所述第(4)步中核心計(jì)算模塊計(jì)算求解的方法為第一步讀取鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型；第二步在0 < t < = 200秒，在導(dǎo)線上緩慢加載重力及靜風(fēng)載荷； 在200 < t < = 300秒，保持重力及靜風(fēng)載荷； 在300 < t < T秒，加入動(dòng)態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時(shí)間；第三步通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度、加速度、角速度、角加 速度；第四步根據(jù)第三步的數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)線單元速度、加速度、角速度、角加速度及攻角變化；第五步根據(jù)第四步的數(shù)據(jù)求得導(dǎo)線單元所受的舞動(dòng)載荷； 第六步根據(jù)第五步的數(shù)據(jù)將載荷平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)；第七步根據(jù)第六步的數(shù)據(jù)將平分到導(dǎo)線單元節(jié)點(diǎn)上的載荷加入第二步中的在300 < t < T秒的動(dòng)態(tài)載荷；第八步根據(jù)第七步得到的動(dòng)態(tài)載荷對(duì)下一時(shí)刻再進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，進(jìn)入第三步；再進(jìn) 入第四步、第五步、第六步、第七步、第八步如此循環(huán)；第九步將第三步中與設(shè)定的輸出時(shí)間相符的數(shù)據(jù)記錄并輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，其特征 在于所述確定導(dǎo)線初始形狀的二分迭代法為步驟1 求導(dǎo)線在重力和架線張力的平衡下的形狀；步驟2:對(duì)所求得的形狀進(jìn)行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)差值乘上一 個(gè)小于l. o的系數(shù)n，形成新的導(dǎo)線形狀；步驟3 對(duì)新的導(dǎo)線形狀進(jìn)行重力加載計(jì)算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力； 步驟4:對(duì)比計(jì)算出的水平張力和架線張力，如果水平張力小于架線張力，減小系數(shù) n，反之增大，該系數(shù)根據(jù)二分法確定；步驟5 重復(fù)步驟2至步驟4，直到水平張力與架線張力相等，當(dāng)差值絕對(duì)值小于50N 時(shí)，認(rèn)為相等，此時(shí)得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀。
全文摘要
鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)鐵塔抗導(dǎo)線舞動(dòng)的方法，它包括如下步驟建立鐵塔模型，設(shè)置導(dǎo)線舞動(dòng)參數(shù)，建立鐵塔、導(dǎo)線、防舞器耦合系統(tǒng)模型，添加鐵塔節(jié)點(diǎn)荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點(diǎn)約束，利用核心計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算求解，利用后處理模塊，直接計(jì)算輸出鐵塔單元的內(nèi)力-時(shí)間歷程曲線，根據(jù)計(jì)算輸出的鐵塔單元內(nèi)力-時(shí)間歷程曲線校核鐵塔單元的承載力，據(jù)此判斷鐵塔單元是否需要進(jìn)行加強(qiáng)。本發(fā)明考慮了鐵塔、導(dǎo)線、防舞器的耦合效應(yīng)，對(duì)加裝防舞器后導(dǎo)線舞動(dòng)規(guī)律的研究更具準(zhǔn)確性，也可計(jì)算分析導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)鐵塔的影響，研究鐵塔抗舞動(dòng)的承載能力，提供鐵塔單元加強(qiáng)的依據(jù)，可滿足科研、工程設(shè)計(jì)的需要。
文檔編號(hào)H02G7/14GK101859996SQ20101018704
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者包永忠, 曾德森, 李強(qiáng), 楊景勝, 沈聰, 舒愛(ài)強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院