基于ANSYS的雙回路鼓型塔仿真模型研究

李陳

(國網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,通過仿真模型計算與真塔試驗數據對比分析,可以得出得出桁梁模型誤差最小、模型仿真考慮質量增大系數后更符合規范的結論,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,但大多數位于崇山峻嶺中,運行條件比較惡劣,近些年常發生雪災、地震、颶風等引起的導地線橫擔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行仿真研究,尋找更為精確的模型。

2 建立模型

目前國內外很多學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、多質點模型進行建模研究,本文將運用ANSYS軟件建立鋼架、桁梁、等截面梁3種模型進行仿真計算,并將計算結果和真型塔試驗數據進行對比分析,進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,正方形邊長根據對應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,本文主要研究0°風、60°風、90°風、斷上導線、斷中導線、斷下導線6種工況下的鐵塔主材受力情況,根據試驗編號選取一些主材受力測試點(見圖1)。分析中將使用和試驗數據相同的荷載對3種ANSYS模型進行加載,并按照圖1受力測試點位置取模型數據和試驗數據進行對比分析。需要說明的是由于試驗鐵受到試驗設備自重、試驗設備的安裝應力、殘余變形等影響,試驗鐵塔存在初始應變,而ANSYS仿真模型里面每種工況下計算時的初始應變都一樣,都是鐵塔自重引起的,試驗設備自重、試驗設備的安裝應力、殘余變形等在仿真模型中無法體現,因此為了后續的仿真分析更加合理,本文使用應變改變值(100%荷載下的應變值減去0%荷載下的應變值)進行對比分析(見圖2）。

通過ANSYS仿真數據[1]和真塔試驗數據[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 主材測試點分布圖

4 質量增大系數對仿真模型的影響

由于鐵塔仿真模型在建模時進行了簡化,沒有對節點板、螺栓和腳釘進行建模,因此仿真模型的整體質量比試驗塔要小,為了減小質量誤差帶來的影響,可以在仿真模型建模的時候考慮質量增大系數,具體方法是將鐵塔實際質量除以仿真模型的整體質量,其中鐵塔實際質量根據鐵塔圖紙獲取,仿真模型整體質量可以通過查詢整體體積命令后再乘以密度獲得,進而求出本文研究的鐵塔質量增大系數為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量增大系數的設置對模態分析的影響,對考慮質量增大系數和未考慮質量增大系數的兩種桁梁模型進行模態分析,采用Block Lanczos法分析前五階頻率和振型,計算結果參看表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

從表2可知,本文研究鐵塔應避免建立在自振周期為0．5483S的地區。同時根據建筑結構荷載規范[3],關于結構基本自振周期T1的經驗公為:T1=(0．007～0．013)H,其中H為鐵塔高度,對于鋼結構可取較高的值,本文研究鐵塔高度為53．3米,對表2分析可知,桁梁模型考慮質量增加系數和不考慮質量增加系數的自振周期都在0．3731～0．6929s范圍內,都符合規范要求,并且振型一致,但考慮質量增大系數的模型比不考慮質量增大系數的模型周期要長,更符合規范提倡的鋼結構取高值的要求,同時考慮到仿真模型盡量和實際情況接近,因此建議在鐵塔建模時候考慮質量增大系數。

5 結語

本文以運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,并將仿真數據與真型塔試驗數據進行了對比分析,可以得出桁梁模型誤差最小的結論。同時對質量增大系數進行了研究,考慮質量增大系數的模型比不考慮質量增大系數的模型周期要長,更符合規范提倡的鋼結構取高值的要求,因此建議ANSYS分析模型中采用質量增大系數,供參考。

[1]楊暘 .輸電鐵塔試驗仿真系統的分析模型研究[D].宜昌:三峽大學碩士論文,2011

[2]周新華.高壓輸電鐵塔結構強度分析[D].北京:華北電力大學碩士論文,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。