專利名稱：架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算機仿真平臺系統(tǒng)，尤其是涉及架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)。
背景技術：
在冬季的時候，導線表面覆冰后會形成非圓形截面，當風以一定的速度吹到這樣的導線上時，在一定的條件下，會使導線產生馳振，俗稱舞動。這是一種低頻(約0.1 3Hz)、大振幅的導線自激振動，舞動峰值可達10多米這導線的這種振動通常會發(fā)生導線固體和空氣流體的相互耦合，是屬于非線性的振動。這種舞動一般幅值大、持續(xù)時間長而且伴有擺動，對于輸電線路的損害極大，容易引起相間閃絡、金具損壞，造成線路跳閘停電或引起燒傷導線、拉倒桿塔、導線折斷等嚴重事故，從而造成重大經濟損失。舞動的形成還受到多方面的因素的影響，如覆冰、風激勵和線路的結構和參數，而這些參數都是千變萬化的，因此導線舞動的分析是一個非常復雜的實際問題。由于覆冰而引起的導線舞動，20世紀30年代以來，一些學者對導線舞動機理，舞動規(guī)律做了大量研究， 提出了多種舞動機理學說，根據流體誘發(fā)振動的基本理論和國內外研究的現狀，基本上公認的有如下三種激發(fā)模式
包括Den Hartog的垂直舞動機理、0. Nigol的扭轉舞動機理、P. YU的偏心慣性耦合失穩(wěn)機理等。美國的鄧哈托于1932年12月在A. I. E. E會議上發(fā)表了題為“輸電導線覆冰舞動” 一文，首次從理論上闡述了導線舞動的發(fā)生機理。加拿大的尼戈爾自1972年開始按各種舞動的覆冰模型在風洞中進行靜力與動力試驗，對鄧哈托激發(fā)原理進行了系統(tǒng)的試驗與研究，得出了一系列空氣動力曲線和鄧哈托系數曲線，首次對橫向激發(fā)起舞的過程和臨界條件作了較為系統(tǒng)、嚴密的表述。P. YU的偏心慣性耦合失穩(wěn)機理認為當雨量和風速都很大時， 導線覆冰常覆在背風側。此時導線的偏心質量位于背風面，即使此時導線橫向振動和扭轉振動都是穩(wěn)定的，但由于偏心慣性作用引起攻角變化，從而使相應的升力對橫向振動形成正反饋，加劇了橫向振動，并逐步聚集能量，最后形成大幅度舞動。此外，世界上很多其他國家的科學家和工程技術人員也對實際或實驗線路進行了大量的觀測和歸納，取得了許多有價值的結論。加拿大A. T. Edwards (愛德華滋)等人于1953年I月至1954年在安大略 Burlington (柏林頓)與Dundas (丹達斯)地區(qū)和Kenilworth (肯沃斯)地區(qū)先后進行了舞動的觀測，記錄下峰值高達IOft的舞動，并記錄下產生舞動的冰風、氣象與線路結構參數等有關資料。同時，在Credit (克尼地特)港建成了與實際尺寸相同的共7檔的試驗線路， 并用D型覆冰模型在實驗線路上形成人工起振，對系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)參數進行了較為全面的試驗。日本在笠取山地區(qū)建立了試驗線檔，進行了長期的調研與觀測。在四分裂導線上， 進行了天然覆冰與D型人工覆冰的試驗研究，觀測到垂直振幅為4m，扭振振幅為100°的舞動，并觀測到舞動的各種模式以及舞動與風速、張力的關系，記錄了振動的頻譜、軌跡、次檔距振蕩等現象與參數。他們在報告中認為，在自然條件下所發(fā)生的振動，一定伴有扭轉運動，且二者頻率相同，并具有一定的相位關系。在計算機模擬方面，有些國家進行過大量的工作，但真正公開發(fā)表的文獻不多。加拿大N. Poppolewell教授領導的研究室在建立非線性模型和隨機模型方面作了許多前瞻性的工作。導線舞動是一個強非線性的流固耦合動力學過程，具有復雜性、特殊性和不可復制性，目前雖有諸多研究，但還沒有一個直接求解方法，因此計算機仿真是目前唯一可行的研究方法。
發(fā)明內容
本發(fā)明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種可以適應不同地形地貌、不同氣象條件、不同風載荷激勵、以及不同線路結構等工況條件的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，它是一個具有良好適應性的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)。本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的
架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，包括動力學建模子系統(tǒng)用于輸入仿真導線舞動所需的數據參數以及建立系統(tǒng)的力學模型；
流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)用于計算導線舞動所需要的空氣動力學參數和系數；
導線舞動計算機仿真子系統(tǒng)根據所建立的模型和仿真求得的空氣動力學參數進行非線性瞬態(tài)動力學計算，輸出仿真結果。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述動力學建模子系統(tǒng)包括工況參數輸入模塊、輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊、輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述工況參數輸入模塊包括桿塔參數，所述桿塔參數包括幾何結構尺寸、空間海拔、材料、絕緣子形式；導線參數，所述導線參數包括型號、分裂數、分裂布置、間隔棒參數；覆冰參數，所述覆冰參數包括覆冰的結構類型、覆冰的性質、覆冰的尺寸的輸入，并將所有的輸入變量進行參數化處理，以適應系統(tǒng)對不同工況和不同條件下的系統(tǒng)建模與分析；
所述輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊包括輸電線路系統(tǒng)常用材料參數數據庫、 常用導線型號及參數數據庫、常用桿塔參數數據庫、常用覆冰參數數據庫以及數據庫接口的設計；
所述輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊包括桿塔系統(tǒng)的有限元模型、導線系統(tǒng)的有限元模型、覆冰的有限元模型、間隔棒有限元模型；
所述的有限元模型包括系統(tǒng)的幾何模型及力學模型的建立、材料性能參數定義、邊界條件處理以及網格的劃分。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)包括地形地貌及氣象參數輸入模塊、流固耦合動力學參數仿真計算模塊、實驗參數知識庫及學習修正模塊、不同工況下的修正系數模塊。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述的地形地貌及氣象參數輸入模塊包括實際地形地貌參數的輸入；實際氣象參數的輸入，所述實際氣象參數溫度、濕度、風速、風向；其他相關參數的輸入，包括海拔、雨雪霧、高差關系；
所述的流固耦合動力學參數仿真計算模塊包括特定地形地貌和氣象條件下的流體動力學流場模型建模、特定條件下的流體力學系數的選擇與計算、覆冰線路結構的仿真計算模型、利用Fluent軟件進行導線舞動相關的空氣動力學參數仿真計算；
所述的不同工況下的修正系數模塊包括冰型修正系數、導線型號修正系數、風速修正系數、位姿尾流修正系數。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述導線舞動計算機仿真子系統(tǒng)包括脈動風載施加模塊、實時動載荷施加模塊、輸電導線舞動的非線性瞬態(tài)動力學仿真計算模塊以及后處理模塊。在上述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，所述的脈動風載施加模塊包括脈動風譜的選擇與設計、脈動風載荷的實現與施加；
所述的實時動載荷施加模塊包括各種不同載荷的處理模型、實時動載荷的計算與實時施加；
所述的輸電導線舞動的非線性瞬態(tài)動力學仿真計算模塊包括建立給定條件下的線路系統(tǒng)有限元仿真計算模型、線路系統(tǒng)動力學基本參數的選擇與計算、仿真參數的選擇與設計、邊界條件的處理、基于ANSYS的輸電導線舞動動力學仿真計算程序的編制。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點可以適應不同地形地貌、不同氣象條件、不同風載荷激勵、以及不同線路結構等工況條件的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，它具有良好的適應性可以用于工程中任意情況下輸電導線的舞動計算和判斷，求得系統(tǒng)的全部振動特征參數和力學參數，為線路系統(tǒng)的結構設計、疲勞強度設計、防舞設計以及輸電線路的運行維護與管理提供必要的數據和技術指導。
圖I是本發(fā)明的結構原理示意圖。
圖2是本發(fā)明中應用的ANSYS命令流構成圖。
圖3是發(fā)明中導線的構形圖。
圖4是發(fā)明中風洞系數仿真結果。
圖5是發(fā)明中脈動風速時程圖。
圖6是發(fā)明中輸入參數匯總界面。
圖7是發(fā)明中導線三自由度模型。
圖8是發(fā)明中命令流計算思路框圖。
圖9是發(fā)明中導線舞動水平，豎直，軸向，及扭轉振動時程圖。
圖10是發(fā)明中導線舞動全時刻振型圖。
具體實施方式
下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
實施例
本發(fā)明包括3各子系統(tǒng)，SP
I.動力學建模子系統(tǒng)用于輸入仿真導線舞動所需的數據參數以及建立系統(tǒng)的力學模型；
動力學建模子系統(tǒng)包括工況參數輸入模塊、輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊、 輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊；各個模塊用于
(1)工況參數輸入模塊包括桿塔參數,所述桿塔參數包括幾何結構尺寸、空間海拔、材料、絕緣子形式；導線參數，所述導線參數包括型號、分裂數、分裂布置、相間間隔棒參數； 覆冰參數，所述覆冰參數包括覆冰的結構類型、覆冰的性質、覆冰的尺寸的輸入，并將所有的輸入變量進行參數化處理，以適應系統(tǒng)對不同工況和不同條件下的系統(tǒng)建模與分析；
(2)輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊包括輸電線路系統(tǒng)常用材料參數數據庫、 常用導線型號及參數數據庫、常用桿塔參數數據庫、常用覆冰參數數據庫以及數據庫接口的設計；
(3)輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊包括桿塔系統(tǒng)的有限元模型、導線系統(tǒng)的有限元模型、覆冰的有限元模型、間隔棒有限元模型；
(4)有限元模型包括系統(tǒng)的幾何模型及力學模型的建立、材料性能參數定義、邊界條件處理以及網格的劃分。上述幾個模塊之間的工作方式是
將上述所需的數據部分標準內容做成輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊，將常用導線的型號及各種對應的參數根據手冊編寫成數據庫，根據用戶的輸入自動生成材料參數，如密度、彈性模量、泊松比等；將常用桿塔結構做成桿塔數據庫根據用戶的輸入在數據里面選擇對應的桿塔，自動生成對應的材料、結構、尺寸等。將常用的覆冰參數做成數據庫， 根據用戶的輸入在數據庫里面調取應的冰型，對應生成覆冰的材料等參數。將用戶輸入的桿塔型號、導線型號、覆冰類型確定后生成輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊，并將對應的材料參數付給生成的有限元模型，并對模型進行網格劃分。2.流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)用于計算導線舞動所需要的空氣動力學參數和系數；該流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)包括地形地貌及氣象參數輸入模塊、流固耦合動力學參數仿真計算模塊、實驗參數知識庫及學習修正模塊、不同工況下的修正系數模塊；各個模塊用于
(1)地形地貌及氣象參數輸入模塊包括實際地形地貌參數的輸入；實際氣象參數的輸入，所述實際氣象參數溫度、濕度、風速、風向；其他相關參數的輸入，包括海拔、雨雪霧、高差關系;
(2)流固耦合動力學參數仿真計算模塊包括特定地形地貌和氣象條件下的流體動力學流場模型建模、特定條件下的流體力學系數的選擇與計算、覆冰線路結構的仿真計算模型、 利用Fluent軟件進行導線舞動相關的空氣動力學參數仿真計算；
(3)不同工況下的修正系數模塊包括冰型修正系數、導線型號修正系數、風速修正系數、位姿尾流修正系數。上述幾個模塊的工作方式是
建立已知導線舞動風洞系數實驗數據知識庫,根據已知的實驗數據來修正FLUENT軟件計算出來的風洞系數，然后對修正后的模型進行擴展，來保證風洞系數的準確性和完整性。本發(fā)明根據實驗數據修正的系數有不同冰型修正系數，不同導線直徑修正系數， 不同風速修正系數，不同位置修正系數。導線舞動的計算機仿真模塊為對建立好的模型進行非線性瞬態(tài)動力學計算，對于建立好的有限元模型，施加的載荷為
載荷的大小總風載荷Ftot等于平均風載荷Fq加上脈動風載荷Ft
權利要求
1.架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，包括動力學建模子系統(tǒng)用于輸入仿真導線舞動所需的數據參數以及建立系統(tǒng)的力學模型；流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)用于計算導線舞動所需要的空氣動力學參數和系數；導線舞動計算機仿真子系統(tǒng)根據所建立的模型和仿真求得的空氣動力學參數進行非線性瞬態(tài)動力學計算，輸出仿真結果。
2.根據權利要求I所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述動力學建模子系統(tǒng)包括工況參數輸入模塊、輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊、輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊。
3.根據權利要求2所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述工況參數輸入模塊包括桿塔參數,所述桿塔參數包括幾何結構尺寸、空間海拔、材料、絕緣子形式；導線參數，所述導線參數包括型號、分裂數、分裂布置、間隔棒參數；覆冰參數，所述覆冰參數包括覆冰的結構類型、覆冰的性質、覆冰的尺寸的輸入，并將所有的輸入變量進行參數化處理，以適應系統(tǒng)對不同工況和不同條件下的系統(tǒng)建模與分析；所述輸電導線系統(tǒng)常用參數標準數據庫模塊包括輸電線路系統(tǒng)常用材料參數數據庫、常用導線型號及參數數據庫、常用桿塔參數數據庫、常用覆冰參數數據庫以及數據庫接口的設計；所述輸電線路系統(tǒng)的有限元模型模塊包括桿塔系統(tǒng)的有限元模型、導線系統(tǒng)的有限元模型、覆冰的有限元模型、間隔棒有限元模型；所述的有限元模型包括系統(tǒng)的幾何模型及力學模型的建立、材料性能參數定義、邊界條件處理以及網格的劃分。
4.根據權利要求I所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述流固耦合動力學參數計算機仿真子系統(tǒng)包括地形地貌及氣象參數輸入模塊、流固耦合動力學參數仿真計算模塊、實驗參數知識庫及學習修正模塊、不同工況下的修正系數模塊。
5.根據權利要求4所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于， 所述的地形地貌及氣象參數輸入模塊包括實際地形地貌參數的輸入；實際氣象參數的輸入，所述實際氣象參數溫度、濕度、風速、風向；其他相關參數的輸入，包括海拔、雨雪霧、 聞差關系;所述的流固耦合動力學參數仿真計算模塊包括特定地形地貌和氣象條件下的流體動力學流場模型建模、特定條件下的流體力學系數的選擇與計算、覆冰線路結構的仿真計算模型、利用Fluent軟件進行導線舞動相關的空氣動力學參數仿真計算；所述的不同工況下的修正系數模塊包括冰型修正系數、導線型號修正系數、風速修正系數、位姿尾流修正系數。
6.根據權利要求I所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述導線舞動計算機仿真子系統(tǒng)包括包括脈動風載施加模塊、實時動載荷施加模塊、輸電導線舞動的非線性瞬態(tài)動力學仿真計算模塊以及后處理模塊。
7.根據權利要求6所述的架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈動風載施加模塊包括脈動風譜的選擇與設計、脈動風載荷的實現與施加；所述的實時動載荷施加模塊包括各種不同載荷的處理模型、實時動載荷的計算與實時施加；所述的輸電導線舞動的非線性瞬態(tài)動力學仿真計算模塊包括建立給定條件下的線路系統(tǒng)有限元仿真計算模型、線路系統(tǒng)動力學基本參數的選擇與計算、仿真參數的選擇與設計、邊界條件的處理、基于ANSYS的輸電導線舞動動力學仿真計算程序的編制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種架空輸電導線舞動的計算機仿真平臺系統(tǒng)，包括輸線路系統(tǒng)動力學建模、流固耦合動力學參數仿真計算及導線舞動計算機仿真子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。其中動力學建模子系統(tǒng)包括參數輸入、常用參數數據庫、線路系統(tǒng)有限元模型3個子模塊；流固耦合動力學參數仿真計算子系統(tǒng)包括地形與氣象參數、空氣動力學參數仿真、試驗參數數據庫、以及工況修正系數4個子模塊；導線舞動仿真子系統(tǒng)包括脈動風載施加、實時動載荷施加、導線舞動動力學仿真計算及后處理4個子模塊。本發(fā)明可以對任意地形地貌及任意氣象條件下的各種線路結構形式進行輸電導線舞動的計算機模擬仿真，得出線路系統(tǒng)在不同工況下的振動特征和系統(tǒng)力學參數，為線路系統(tǒng)的設計提供技術指導。
文檔編號H02G7/14GK102609570SQ20121001516
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權日2012年1月18日
發(fā)明者胡基才 申請人:武漢大學