專利名稱：架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法。
技術(shù)背景 導(dǎo)線舞動是覆冰導(dǎo)線在相對穩(wěn)定風(fēng)的激勵下產(chǎn)生的流固耦合非線性振動。
覆冰導(dǎo)線舞動幅度大，持續(xù)時間長，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)濟損失。2008年的南方冰災(zāi)就出現(xiàn)多條輸電線路鐵塔因為導(dǎo)線舞動而破壞的事故。導(dǎo)線舞動在時間和空間上具有偶然性，難于觀測。 我國是舞動頻發(fā)的國家，導(dǎo)線舞動成為威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。
20世紀30年代以來，一些學(xué)者對導(dǎo)線舞動機理、舞動規(guī)律做了大量的研究，提出了多種舞動機理學(xué)說，包括Den Hartog的垂直舞動機理、0. Nigol的扭轉(zhuǎn)舞動機理、P. Yu的偏心慣性耦合失穩(wěn)機理、陣風(fēng)誘發(fā)機理等。國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)線的舞動也做了大量的實驗研究，提出了一些有效的并已在工程實踐中得到運用的防舞措施。
以往的舞動研究多著眼于導(dǎo)線舞動本身，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(1)、沒有考慮鐵塔與導(dǎo)線之間的耦合效應(yīng)，(2)、沒有考慮相鄰檔導(dǎo)線在舞動過程中的相互耦合、相互影響；(3)、覆冰導(dǎo)線舞動對輸電線路鐵塔的影響研究很少，鐵塔的在舞動條件下的安全性研究很少提及。
因此，在研究導(dǎo)線舞動的過程中考慮鐵塔與導(dǎo)線的耦合效應(yīng)，提升輸電鐵塔抗導(dǎo)線舞動的設(shè)計理論和水平，提高鐵塔的抗舞承載能力，為方便計算和工程設(shè)計服務(wù)成為了一項非常重要的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有導(dǎo)線舞動的研究沒有考慮導(dǎo)線與鐵塔的耦合效應(yīng)、僅將鐵塔近似為某種彈簧支撐邊界的不足；而提供一種架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法。
本發(fā)明利用三維大位移、大轉(zhuǎn)動、非線性動態(tài)顯式有限元方法計算覆冰導(dǎo)線的舞動過程，建立鐵塔與導(dǎo)線耦合模型，考慮鐵塔與導(dǎo)線的耦合效應(yīng)，計算分析導(dǎo)線的舞動規(guī)律以及鐵塔在導(dǎo)線舞動作用下的受力狀態(tài)，以便對鐵塔抗舞承載能力進行安全性評估。可實現(xiàn)鐵塔與導(dǎo)線耦合體系的快速建模、舞動計算分析和計算結(jié)果的輸出，可動畫顯示導(dǎo)線舞動的全過程，以圖形、文本形式輸出導(dǎo)線端部張力的時間歷程曲線以及鐵塔構(gòu)件內(nèi)力的時間歷程曲線，作為鐵塔抗舞設(shè)計的依據(jù)。
本發(fā)明的目的是通過如下措施來達到的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法， 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；對已經(jīng)生成的有限元模型中每個單元截面的尺寸進行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out結(jié)果文件，并定義單元類型為梁單元類型或桿單元類型；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，再對梁單元的截面朝向進行調(diào)整，使得梁單元截面方向與實際情況完全相同，即得到一個鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位高程建立多個鐵塔模型； (2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)，①當(dāng)導(dǎo)線為分裂導(dǎo)線時包括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂圓截面半徑、耐張絕緣子串長度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動力系數(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，間隔棒定義為梁單元；②當(dāng)導(dǎo)線為單導(dǎo)線時包括耐張絕緣子串長度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動力系數(shù)；定義導(dǎo)線絕緣子串的單元類型和材料屬性，絕緣子串定義為桿單元； 所述的導(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)為半橢圓型長軸方向的覆冰厚度，所述的氣動力系數(shù)由風(fēng)洞實驗根據(jù)覆冰參數(shù)、導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定； (3)、建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線的架線張力和單元劃分數(shù)量；采用二分迭代法對導(dǎo)線的初始形狀進行計算，使導(dǎo)線在施加重力和初始張力后到達穩(wěn)定平衡；在分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實際間距添加相內(nèi)間隔棒；所述的初始張力 T = O. 25Tp，Tp為導(dǎo)線的破斷力； (4)、在建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點約束，對塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個方向的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度進行約束，定義荷載曲線； 設(shè)置時間參數(shù)計算結(jié)束時間和計算結(jié)果輸出時間間隔，生成計算文件，利用核心計算模塊進行計算求解； (5)、計算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動動畫，通過圖形輸出導(dǎo)線任一截面的舞動軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點位移-時間歷程曲線計算出導(dǎo)線的舞動頻率、舞動幅值；直接計算輸出鐵塔單元的內(nèi)力_時間歷程曲線。
(6)、根據(jù)計算輸出的鐵塔單元內(nèi)力-時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行加強。
在上述技術(shù)方案中，所述第(4)步中核心計算模塊計算求解的方法為 第一步讀取鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(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，加入動態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時間； 第三步通過動態(tài)計算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點坐標、轉(zhuǎn)動角度、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； 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)點上的載荷加入第二步中的在 300 < t < T秒的動態(tài)載荷； 第八步根據(jù)第七步得到的動態(tài)載荷對下一時刻再進行動態(tài)計算，進入第三步； 再進入第四步、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 對所求得的形狀進行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點與導(dǎo)線懸掛點的坐標差值乘上一個小于1. 0的系數(shù)Il，形成新的導(dǎo)線形狀； 步驟3 對新的導(dǎo)線形狀進行重力加載計算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力； 步驟4 對比計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)差值絕對值小于 50Ν時，認為相等，此時得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀。
本發(fā)明通過建立鐵塔與導(dǎo)線耦合模型；對導(dǎo)線施加舞動荷載進行有限元計算分析；并利用后處理模塊，以動畫、圖形和文本格式輸出計算結(jié)果。
本發(fā)明的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，考慮了鐵塔與導(dǎo)線的耦合效應(yīng)， 對導(dǎo)線舞動規(guī)律的研究更具準確性，也可計算分析導(dǎo)線舞動對鐵塔的影響，研究鐵塔抗舞動的承載能力，提供鐵塔單元加強的依據(jù)，可滿足科研、工程設(shè)計的需要。


圖1為GTA舞動計算仿真平臺主界面； 圖2為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(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為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點運動軌跡圖； 圖8為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點位移_時間歷程曲線。
圖9為鐵塔桿件的軸力_時間歷程曲線。
圖10為鐵塔桿件的彎矩_時間歷程曲線。
圖11為鐵塔桿件的扭矩_時間歷程曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明，本發(fā)明的優(yōu)點將變得更加清楚和容易理解。
本發(fā)明的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法是先建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型，然后將系統(tǒng)受到的載荷作為激勵，通過非線性動態(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GTA舞動計算仿真平臺的后處理模塊輸出計算結(jié)果，整個過程均在GTA 舞動計算仿真平臺(另申請計算機軟件登記)中進行，方便、快捷。
圖1為GTA舞動計算仿真平臺主界面，GTA舞動計算仿真平臺的主要功能如下從.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)點載荷和節(jié)點約束，添加載荷曲線和設(shè)置時間控制參數(shù)；計算單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線的初始形狀；單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線的覆冰舞動計算；鐵塔單元內(nèi)力的時間歷程曲線輸出及文本輸出；節(jié)點位移的時間歷程曲線輸出及文本輸出；整體塔架位移的動畫顯示；導(dǎo)線任一截面舞動軌跡的動畫顯示。
圖2為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型圖，兩端為耐張塔，中間為兩基直線塔，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，☆為導(dǎo)線y方向速度，眾為導(dǎo)線ζ方向速度，U為風(fēng)速，β為相對風(fēng)速與y 方向夾角，扎為因為導(dǎo)線平動引起的相對風(fēng)速，α為相對風(fēng)速的攻角，F(xiàn)Jx)為氣動升力， Fd(X)為氣動阻力，Ma(X)為氣動扭矩。
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，L為檔距，0點為導(dǎo)線懸鏈曲線最低點，X為曲線任一點離0點的水平距離，Iitl為0點與水平參考線的距離。
圖7為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點運動軌跡圖，圖中所示六條曲線為某一檔距離內(nèi)六相六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點的運動軌跡，包含從0時刻開始直至計算結(jié)束時刻內(nèi)節(jié)點的y，ζ坐標信息，可以看出，該檔距內(nèi)六相導(dǎo)線舞動均以豎直方向為主，水平方向為輔。
圖8為鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型內(nèi)六分裂導(dǎo)線中部節(jié)點位移_時間歷程曲線。圖中，Ux、Uy、Uz和U分別為節(jié)點沿x、y、z軸方向和合方向的位移，可以看出導(dǎo)線舞動時節(jié)點位移以豎直方向位移為主。
圖9為鐵塔單元的軸力_時間歷程曲線，圖中橫軸為時間軸，單位為秒，縱軸為單元軸力，單位為千牛?？梢钥闯鲈谖鑴舆^程中，塔架單元軸力隨時間上下波動，波動幅值可達110KN左右。
圖10為鐵塔桿件的彎矩_時間歷程曲線，圖中橫軸為時間軸，單位為秒，縱軸為單元端部彎矩，單位為千?！っ?，Mzj和Myj為單元端部j節(jié)點繞ζ和y軸的彎矩，可以看出在舞動過程中，塔架單元端部彎矩隨時間上下波動，波動幅值較小。
圖11為鐵塔桿件的扭矩-時間歷程曲線，圖中橫軸為時間軸，單位為秒，縱軸為單元扭矩，單位為千牛 米，可以看出在舞動過程中，塔架單元扭矩隨時間上下波動，扭矩值很小。
本發(fā)明架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，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；對已經(jīng)生成的有限元模型中每個單元截面的尺寸進行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out 結(jié)果文件，并定義單元類型為梁單元類型或桿單元類型；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，再對梁單元的截面朝向進行調(diào)整，使得梁單元截面方向與實際情況完全相同，即得到一個鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位高程建立多個鐵塔模型； (2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)，①當(dāng)導(dǎo)線為分裂導(dǎo)線時包括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂圓截面半徑、耐張絕緣子串長度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動力系數(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，間隔棒定義為梁單元；②當(dāng)導(dǎo)線為單導(dǎo)線時包括耐張絕緣子串長度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動力系數(shù)；定義導(dǎo)線絕緣子串的單元類型和材料屬性，絕緣子串定義為桿單元； 所述的導(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)為半橢圓型長軸方向的覆冰厚度，所述的氣動力系數(shù)由風(fēng)洞實驗根據(jù)覆冰參數(shù)、導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定； (3)、建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線的架線張力和單元劃分數(shù)量；采用二分迭代法對導(dǎo)線的初始形狀進行計算，使導(dǎo)線在施加重力和初始張力后到達穩(wěn)定平衡；在分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實際間距添加相內(nèi)間隔棒；所述的初始張力 T = O. 25Tp，Tp為導(dǎo)線的破斷力； (4)、在建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點約束，對塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個方向的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度進行約束，定義荷載曲線； 設(shè)置時間參數(shù)計算結(jié)束時間和計算結(jié)果輸出時間間隔，生成計算文件，利用核心計算模塊進行計算求解； (5)、計算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動動畫，通過圖形輸出導(dǎo)線任一截面的舞動軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點位移-時間歷程曲線計算出導(dǎo)線的舞動頻率、舞動幅值；直接計算輸出鐵塔單元的內(nèi)力_時間歷程曲線。
(6)、根據(jù)計算輸出的鐵塔單元內(nèi)力_時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行加強。
所述第(4)步中核心計算模塊計算求解的方法為 第一步讀取鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(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，加入動態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時間； 第三步通過動態(tài)計算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點坐標、轉(zhuǎn)動角度、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； 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)點上的載荷加入第二步中的在 300 < t < T秒的動態(tài)載荷； 第八步根據(jù)第七步得到的動態(tài)載荷對下一時刻再進行動態(tài)計算，進入第三步； 再進入第四步、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)定的輸出時間相符的數(shù)據(jù)記錄并輸出(如圖5所示)。
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 對所求得的形狀進行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點與導(dǎo)線懸掛點的坐標差值乘上一個小于1. 0的系數(shù)Il，形成新的導(dǎo)線形狀； 步驟3 對新的導(dǎo)線形狀進行重力加載計算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力； 步驟4 對比計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)差值絕對值小于 50Ν時，認為相等，此時得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀(如圖6所示)。
下面通過計算分析對比說明初始形狀計算的準確性和必要性 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行對比、導(dǎo)線水平張力與設(shè)定的架線張力進行對比，說明本發(fā)明方法的準確性和必要性。
基于拋物線理論的懸鏈(導(dǎo)線)計算方程為
χ2

式中，y為任意點的縱坐標，S為檔距中點0到橫坐標為χ的點之間的導(dǎo)線實際長度(如圖5所示)，^ ，H為導(dǎo)線水平張力，q為均布載荷值(只受重力時為單位長度導(dǎo)
1
線重量)。
取單根LGJ-300/40導(dǎo)線(國家標準)、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)明方法計算出的初始形狀 按照本發(fā)明方法，計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%。對比可以看出，本發(fā)明提出的初始形狀計算方法不僅有必要，而其計算準確率也極尚ο 下面對覆冰導(dǎo)線等效為單一一種材料及截面尺寸的方法進行說明 覆冰導(dǎo)線的等效面積和等效密度計算實際覆冰導(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為單位長度導(dǎo)線的計算重量。
下面對核心計算模塊中采用的梁單元進行說明 處理中使用Belytschko梁單元離散覆冰導(dǎo)線，該梁單元使用共旋技術(shù)來處理大轉(zhuǎn)動，把梁的變形分為剛體平動、轉(zhuǎn)動與真實變形，剛體位移不產(chǎn)生應(yīng)變，只有真實變形才產(chǎn)生應(yīng)變，適合于導(dǎo)線的舞動過程的大位移大轉(zhuǎn)動處理。
下面對核心計算模塊中的靜態(tài)載荷進行說明 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)載荷可以通過下式得到。
靜風(fēng)載荷表達式
式中，U即為風(fēng)速，α即為攻角，氣動力系數(shù)取風(fēng)洞實驗的取值，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處的氣動升力、氣動阻力和氣動力矩。
由于GTA計算仿真平臺是動態(tài)的顯式分析方法，為了盡量準確的模擬導(dǎo)線在靜風(fēng)載、重力作用下的平衡狀態(tài)，通過緩慢加載載荷并最終保持載荷一段時間的方法對靜平衡狀態(tài)進行計算。
在根據(jù)上式計算出一定風(fēng)速和初始攻角下的靜風(fēng)載后，通過緩慢加載的方法將靜風(fēng)載加載于導(dǎo)線的節(jié)點上。該加載過程共計算200s(s表示秒)，載荷每1. Os增加0. 5%, 在200s時刻載荷變?yōu)?00% ；之后保持100%載荷IOOs時間，使得導(dǎo)線波動的范圍已經(jīng)在可以接受的范圍之內(nèi)；在300s時刻，撤銷靜風(fēng)載，并用動態(tài)舞動載荷替換，之后開始動態(tài)舞動計算。
下面對核心計算模塊中的動態(tài)舞動載荷進行說明 動態(tài)舞動載荷是指覆冰導(dǎo)線在舞動時承受的載荷，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動時產(chǎn)生的慣性扭矩，以及動態(tài)風(fēng)載荷(包括由風(fēng)產(chǎn)生的氣動升力、氣動阻力和氣動扭矩)。
在風(fēng)的作用下，導(dǎo)線會受到垂直、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)線長度為線性關(guān)系，假設(shè)單位長度的氣動升力為FJx)、氣動阻力為Fd(X)和氣動力矩為Ma(X)，它們近似沿χ軸分布，通常假定是準定常的，表示為
式中Pai,為空氣密度，d為導(dǎo)線直徑，Α為導(dǎo)線ζ方向速度，U為風(fēng)速，β為相對風(fēng)速與y方向夾角，α為相對風(fēng)速的攻角，氣動力系數(shù)CJx)、CD(x)和Cm(X)可由相應(yīng)冰型的風(fēng)洞實驗確定。
對比實例水布埡-潛江I II回500kV送電線路舞動計算 水布埡-潛江I II回500kV送電線路工程，線路為東西走向，在湖北荊州地區(qū)(設(shè)計桿塔號302# 851#)為雙回路緊湊型線路，導(dǎo)線采用6分裂LGJ-300/40導(dǎo)線，地處平原。受大風(fēng)降雪惡劣天氣的影響，雙回路緊湊型線路部分于2008年1月11日 13日發(fā)生舞動，線路運檢人員現(xiàn)場拍下舞動錄像，并實測出舞動幅值和舞動頻率。
計算模型七塔六檔線兩個耐張段，400米檔距，6分裂LGJ-300/40導(dǎo)線，8m/s風(fēng)速、30°初始攻角。
計算結(jié)果 A.計算的導(dǎo)線舞動幅值平均值為5. 4米，與水潛線現(xiàn)場實測的舞動幅值5. 0-6. Om 比較吻合。
B.計算的導(dǎo)線舞動頻率為22次/分鐘，與水潛線現(xiàn)場實測的舞動頻率為22-23次 /分鐘比較吻合。
通過該實例中覆冰導(dǎo)線舞動規(guī)律的計算對比，本發(fā)明的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法安全可靠，方便實用。
需要說明的是對于本專業(yè)普通的技術(shù)人員來說，在不改變本發(fā)明原理的情況下， 還可以對本發(fā)明做出適當(dāng)?shù)母淖兒妥冃?，這同樣屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，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； 對已經(jīng)生成的有限元模型中每個單元截面的尺寸進行賦值或直接導(dǎo)入TTA生成的.out結(jié) 果文件，并定義單元類型為梁單元類型或桿單元類型；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，再對梁單元的截面朝向進行調(diào)整，使得梁單元截面方向與實 際情況完全相同，即得到一個鐵塔模型；再按照上述方法根據(jù)實際檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、塔位高 程建立多個鐵塔模型； (2)、設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)在鐵塔模型上設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)，①當(dāng)導(dǎo)線為分裂導(dǎo)線時包 括導(dǎo)線分裂數(shù)、分裂圓截面半徑、耐張絕緣子串長度、導(dǎo)線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角 θ和氣動力系數(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，間隔棒定義為梁單元；②當(dāng)導(dǎo)線為單導(dǎo)線時包括耐張絕緣子串長度、導(dǎo) 線參數(shù)、覆冰參數(shù)、風(fēng)速、初始攻角θ和氣動力系數(shù)；定義導(dǎo)線絕緣子串的單元類型和材料 屬性，絕緣子串定義為桿單元；所述的導(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)為半橢圓型長軸方向的覆冰厚度，所述的氣動力系數(shù)由風(fēng)洞實驗根據(jù)覆冰參數(shù)、 導(dǎo)線截面、風(fēng)速及初始攻角θ確定；(3)、建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型在鐵塔掛點上添加導(dǎo)線，并輸入導(dǎo)線的架線張力 和單元劃分數(shù)量；采用二分迭代法對導(dǎo)線的初始形狀進行計算，使導(dǎo)線在施加重力和初始 張力后到達穩(wěn)定平衡；在分裂導(dǎo)線內(nèi)按照實際間距添加相內(nèi)間隔棒；所述的初始張力T = 0. 25Τρ，Τρ為導(dǎo)線的破斷力；(4)、在建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型之后，添加鐵塔節(jié)點荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點約束，對 塔腳在X軸、Y軸、Z軸三個方向的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度進行約束，定義荷載曲線；設(shè)置 時間參數(shù)計算結(jié)束時間和計算結(jié)果輸出時間間隔，生成計算文件，利用核心計算模塊進行 計算求解；(5)、計算結(jié)束后，利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動動畫，通過圖形輸出 導(dǎo)線任一截面的舞動軌跡，利用輸出的導(dǎo)線節(jié)點位移-時間歷程曲線計算出導(dǎo)線的舞動頻 率、舞動幅值；直接計算輸出鐵塔單元的內(nèi)力_時間歷程曲線。(6)、根據(jù)計算輸出的鐵塔單元內(nèi)力_時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行加強。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，其特征在于所述第 (4)步中核心計算模塊計算求解的方法為第一步讀取鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(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，加入動態(tài)載荷，其中T為結(jié)束時間；第三步通過動態(tài)計算模塊獲取導(dǎo)線節(jié)點坐標、轉(zhuǎn)動角度、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；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)點上的載荷加入第二步中的在300 < t < T秒的動態(tài)載荷；第八步根據(jù)第七步得到的動態(tài)載荷對下一時刻再進行動態(tài)計算，進入第三步；再進 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所述的架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，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:對所求得的形狀進行變換，將導(dǎo)線所有節(jié)點與導(dǎo)線懸掛點的坐標差值乘上一 個小于1. 0的系數(shù)η，形成新的導(dǎo)線形狀；步驟3 對新的導(dǎo)線形狀進行重力加載計算，并得到重力下的導(dǎo)線水平張力； 步驟4:對比計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)差值絕對值小于50Ν時，認為相等，此時得到的形狀即為導(dǎo)線初始形狀。
全文摘要
架空輸電線路鐵塔抗導(dǎo)線舞動的方法，它包括如下步驟建立鐵塔模型，設(shè)置導(dǎo)線舞動參數(shù)，建立鐵塔與導(dǎo)線耦合系統(tǒng)模型，添加鐵塔節(jié)點荷載，設(shè)置塔腳節(jié)點約束，定義荷載曲線；設(shè)置時間參數(shù)，利用核心計算模塊進行計算求解；利用后處理模塊，直接顯示導(dǎo)線和塔架的舞動動畫，直接計算輸出鐵塔單元的內(nèi)力-時間歷程曲線。根據(jù)計算輸出的鐵塔單元內(nèi)力-時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行加強。本發(fā)明考慮了鐵塔與導(dǎo)線的耦合效應(yīng)，對導(dǎo)線舞動規(guī)律的研究更具準確性，也可計算分析導(dǎo)線舞動對鐵塔的影響，研究鐵塔抗舞動的承載能力，提供鐵塔單元加強的依據(jù)，可滿足科研、工程設(shè)計的需要。
文檔編號H02G1/00GK101847855SQ20101018710
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者曾德森, 陳一軍, 楊藝, 馮衡, 吳海洋, 田三明 申請人:中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院