李陳

(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司,四川成都 610000)

基于ANSYS的雙回路鼓型塔仿真模型研究

李陳

(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司,四川成都 610000)

本文以500kV雙回路鼓型輸電鐵塔為研究對象,運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS建立了鋼架模型、桁梁模型和等截面梁模型,通過仿真模型計(jì)算與真塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析,可以得出得出桁梁模型誤差最小、模型仿真考慮質(zhì)量增大系數(shù)后更符合規(guī)范的結(jié)論,供參考。

ANYSY 鼓型塔 仿真模型 研究

1 前言

500kV輸電線路是電力輸送大動脈,但大多數(shù)位于崇山峻嶺中,運(yùn)行條件比較惡劣,近些年常發(fā)生雪災(zāi)、地震、颶風(fēng)等引起的導(dǎo)地線橫擔(dān)斷裂甚至是倒塔事故,而輸電鐵塔是線路中最主要的承力設(shè)備,因此開展輸電鐵塔的仿真研究是十分有必要的。介于國內(nèi)因輸電通道走廊越來越緊張的緣故,采用雙回路輸電鐵塔的比例也越來越高,本文將基利用大型有限元ANSYS針對常用的500kV雙回路鼓型輸電鐵塔進(jìn)行仿真研究,尋找更為精確的模型。

2 建立模型

目前國內(nèi)外很多學(xué)者在鐵塔仿真研究中建模方式較多,主要有將輸電鐵塔簡化為桁梁模型、等截面梁模型、鋼架模型、多質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行建模研究,本文將運(yùn)用ANSYS軟件建立鋼架、桁梁、等截面梁3種模型進(jìn)行仿真計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果和真型塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,進(jìn)而選擇出精度較好的模型。

本文建模采用噸、秒、毫米單位制,角鋼采用Q235、Q345、Q420,彈性模量2．06E5,泊松比0．3,密度7．85E-9T/mm3,建模時(shí)考慮角鋼朝向,其中鋼架模型全部采用BEAM188角鋼梁單元,桁梁模型主材和斜材采用BEAM188角鋼梁單元,輔助材使用LINK8桿單元,桿單元的橫截面面積和對應(yīng)的輔助材角鋼的橫截面面積取值一致,等截面梁模型采用BEAM188正方形截面梁,正方形邊長根據(jù)對應(yīng)的角鋼橫截面面積開方求出。

3 仿真分析對比

鐵塔主材承擔(dān)整個鐵塔的主要受力,是整個鐵塔的框架,由于本文研究塔型主要用于南方地區(qū),本文主要研究0°風(fēng)、60°風(fēng)、90°風(fēng)、斷上導(dǎo)線、斷中導(dǎo)線、斷下導(dǎo)線6種工況下的鐵塔主材受力情況,根據(jù)試驗(yàn)編號選取一些主材受力測試點(diǎn)(見圖1)。分析中將使用和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同的荷載對3種ANSYS模型進(jìn)行加載,并按照圖1受力測試點(diǎn)位置取模型數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。需要說明的是由于試驗(yàn)鐵受到試驗(yàn)設(shè)備自重、試驗(yàn)設(shè)備的安裝應(yīng)力、殘余變形等影響,試驗(yàn)鐵塔存在初始應(yīng)變,而ANSYS仿真模型里面每種工況下計(jì)算時(shí)的初始應(yīng)變都一樣,都是鐵塔自重引起的,試驗(yàn)設(shè)備自重、試驗(yàn)設(shè)備的安裝應(yīng)力、殘余變形等在仿真模型中無法體現(xiàn),因此為了后續(xù)的仿真分析更加合理,本文使用應(yīng)變改變值(100%荷載下的應(yīng)變值減去0%荷載下的應(yīng)變值)進(jìn)行對比分析(見圖2）。

通過ANSYS仿真數(shù)據(jù)[1]和真塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]對比分析可以得出鋼架模型主材、桁梁模型主材、等截面梁模型主材在六種工況下的平均值均值誤差見表1。

通過對表1的分析,可以得出三種模型中等截面梁模型主材誤差最大,桁梁模型和鋼架模型之間的誤差相差非常小,桁梁模型比鋼架模型誤差略小,桁梁模型最為精確。考慮三種模型受力差異不是很大,而等截面梁建模不考慮角鋼朝向問題,建模程序簡化很多,在簡化分析中可以采用等截面梁模型。

圖1 主材測試點(diǎn)分布圖

4 質(zhì)量增大系數(shù)對仿真模型的影響

由于鐵塔仿真模型在建模時(shí)進(jìn)行了簡化,沒有對節(jié)點(diǎn)板、螺栓和腳釘進(jìn)行建模,因此仿真模型的整體質(zhì)量比試驗(yàn)塔要小,為了減小質(zhì)量誤差帶來的影響,可以在仿真模型建模的時(shí)候考慮質(zhì)量增大系數(shù),具體方法是將鐵塔實(shí)際質(zhì)量除以仿真模型的整體質(zhì)量,其中鐵塔實(shí)際質(zhì)量根據(jù)鐵塔圖紙獲取,仿真模型整體質(zhì)量可以通過查詢整體體積命令后再乘以密度獲得,進(jìn)而求出本文研究的鐵塔質(zhì)量增大系數(shù)為1．2213。由于前文研究表明桁梁模型精度最高,本文將采用桁梁模型分析質(zhì)量增大系數(shù)的設(shè)置對模態(tài)分析的影響,對考慮質(zhì)量增大系數(shù)和未考慮質(zhì)量增大系數(shù)的兩種桁梁模型進(jìn)行模態(tài)分析,采用Block Lanczos法分析前五階頻率和振型,計(jì)算結(jié)果參看表2。

圖2 ANSYS模型受力分析圖

表1 三種模型主材誤差平均值均值比較

表2 桁梁模型前5階模態(tài)

從表2可知,本文研究鐵塔應(yīng)避免建立在自振周期為0．5483S的地區(qū)。同時(shí)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[3],關(guān)于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1的經(jīng)驗(yàn)公為:T1=(0．007～0．013)H,其中H為鐵塔高度,對于鋼結(jié)構(gòu)可取較高的值,本文研究鐵塔高度為53．3米,對表2分析可知,桁梁模型考慮質(zhì)量增加系數(shù)和不考慮質(zhì)量增加系數(shù)的自振周期都在0．3731～0．6929s范圍內(nèi),都符合規(guī)范要求,并且振型一致,但考慮質(zhì)量增大系數(shù)的模型比不考慮質(zhì)量增大系數(shù)的模型周期要長,更符合規(guī)范提倡的鋼結(jié)構(gòu)取高值的要求,同時(shí)考慮到仿真模型盡量和實(shí)際情況接近,因此建議在鐵塔建模時(shí)候考慮質(zhì)量增大系數(shù)。

5 結(jié)語

本文以運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS建立了500kV雙回路鼓型輸電鐵塔鋼架、桁梁和等截面梁3個仿真模型,并將仿真數(shù)據(jù)與真型塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,可以得出桁梁模型誤差最小的結(jié)論。同時(shí)對質(zhì)量增大系數(shù)進(jìn)行了研究,考慮質(zhì)量增大系數(shù)的模型比不考慮質(zhì)量增大系數(shù)的模型周期要長,更符合規(guī)范提倡的鋼結(jié)構(gòu)取高值的要求,因此建議ANSYS分析模型中采用質(zhì)量增大系數(shù),供參考。

[1]楊暘 .輸電鐵塔試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的分析模型研究[D].宜昌:三峽大學(xué)碩士論文,2011

[2]周新華.高壓輸電鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].北京:華北電力大學(xué)碩士論文,2002.

李陳(1969—),男,工程師,主要從事超特高壓輸電線路檢修管理工作。