特高壓?jiǎn)沃€塔主柱扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

楊文剛， 陳湘陽(yáng)， 王璋奇

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

特高壓?jiǎn)沃€塔主柱扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

楊文剛， 陳湘陽(yáng)， 王璋奇

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

目前對(duì)主柱扭轉(zhuǎn)剛度的研究主要通過理論分析和有限元計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性并未進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為此該文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量主柱扭轉(zhuǎn)剛度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過在主柱模型施加載荷并測(cè)量其發(fā)生的扭轉(zhuǎn)角，可得到主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用該系統(tǒng)測(cè)量主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度，測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量方法簡(jiǎn)便易行；與理論計(jì)算、有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比較為吻合，具有較高的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

拉線塔； 主柱； 扭轉(zhuǎn)剛度； 扭轉(zhuǎn)角

1 單柱拉線塔簡(jiǎn)介

特高壓?jiǎn)沃€塔一般由塔頭、主柱、拉線3部分組成(見圖1),其第一階振型為繞主柱中心的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[1-2]。由角鋼組成的主柱為空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu),其扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)塔的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率起著決定性的作用。因此,主柱扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算是進(jìn)行拉線塔設(shè)計(jì)分析時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題之一。

由于目前對(duì)主柱剛度的研究主要通過理論計(jì)算[3-8]和有限元模擬[9-11],分析計(jì)算方法的準(zhǔn)確性并未進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為此,本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量主柱扭轉(zhuǎn)剛度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過在主柱模型施加載荷并測(cè)量其發(fā)生的扭轉(zhuǎn)角,得到主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算、有限元計(jì)算結(jié)果相對(duì)比,對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確性給予評(píng)價(jià)。

圖1 單柱拉線塔

2 主柱扭轉(zhuǎn)剛度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 拉線塔主柱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

特高壓?jiǎn)沃€塔主柱多為變截面格構(gòu)柱,有一定的變坡,斜材布置形式為交叉斜材布置。為便于塔材加工,減少組裝時(shí)角鋼干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生,主柱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脽o變坡設(shè)計(jì),斜材布置形式為單斜材布置。

使用ANSYS建立主柱的有限元模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)(見圖2(a)),計(jì)算不同荷載下主柱模型的扭轉(zhuǎn)變形。調(diào)整角鋼型號(hào),使主柱模型在滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求的前提下,扭轉(zhuǎn)變形量更易于測(cè)量。最終確定的主柱模型由主柱與扭矩加載結(jié)構(gòu)組成(見圖2(b)),主柱模型與角鋼的相關(guān)參數(shù)分別見表1和表2。

圖2 主柱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 主柱的主要參數(shù)

表2 角鋼的主要參數(shù)

2.2 扭矩加載裝置

進(jìn)行扭矩加載裝置設(shè)計(jì)前,應(yīng)確定主柱模型的安裝方式,通常可采用水平安裝或豎直安裝兩種方式。水平安裝時(shí),可在主柱模型頂端懸掛不通過截面形心的重物,使主柱模型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；豎直安裝時(shí),則需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的扭矩加載裝置。為使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)單可靠,主柱模型采取水平安裝方式。

扭矩加載可通過定滑輪,將重物用鋼絲繩固定在頂端截面的A點(diǎn),同時(shí)在C點(diǎn)懸掛相同質(zhì)量的重物(見圖3(a)),使主柱模型承受扭矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。由于固定滑輪的反力支架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,故考慮只在C點(diǎn)懸掛重物,使主柱模型承受偏心荷載發(fā)生彎扭組合變形。但使用此法加載時(shí),為獲得滿足測(cè)量要求的扭轉(zhuǎn)變形,所需重物質(zhì)量較大,不便于加載。因此考慮在主柱模型頂端截面設(shè)置扭矩加載結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由三只角鋼組成,加載時(shí)將重物懸掛在E點(diǎn)(見圖3(b))。此時(shí),作用力的力臂為之前的3倍,大大減小了重物的質(zhì)量。因此,選取此種方案為最終確定的扭矩加載方案。但使用此法加載,主柱模型會(huì)發(fā)生彎扭組合變形,必須通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)消除彎曲變形的干擾。

圖3 扭矩加載方式

2.3 扭轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)

2.3.1 扭轉(zhuǎn)角測(cè)量原理

根據(jù)有限元計(jì)算,當(dāng)加載重物質(zhì)量為150 kg時(shí),主柱模型的扭轉(zhuǎn)角φ=0.42°。扭轉(zhuǎn)角較小,必須設(shè)計(jì)合理的測(cè)量方案精確測(cè)量扭轉(zhuǎn)角。

初步設(shè)計(jì)將有刻度的圓盤固定在主柱模型上,圓盤圓心與主柱模型軸線共線,圓盤圓心正下方固定豎直向上的指針(見圖4(a))。當(dāng)主柱模型發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí),指針?biāo)缚潭染褪侵髦Ｐ偷呐まD(zhuǎn)角。為提高測(cè)量精度,圓盤最小刻度取0.01°。直徑為1 m的表盤,最小刻度弧長(zhǎng)為1 mm時(shí),每小格代表0.057°。若使每小格代表0.01°,圓盤直徑應(yīng)為5.73 m。表盤過大,不便于安裝,其質(zhì)量也會(huì)對(duì)主柱的扭轉(zhuǎn)變形造成干擾,故對(duì)測(cè)量方案進(jìn)行調(diào)整。

可在主柱模型頂端截面固定兩個(gè)方向相反的激光發(fā)射器(見圖4(b)),對(duì)主柱模型加載后,激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而在標(biāo)尺上得到2個(gè)讀數(shù)。兩塔尺讀數(shù)的高度差、兩塔尺間水平距離和激光組成了包含扭轉(zhuǎn)角的直角三角形,由直角三角形的幾何關(guān)系，即可求得扭轉(zhuǎn)角。此方案優(yōu)點(diǎn)在于：激光的偏轉(zhuǎn)位移可以看作彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形的疊加,彎曲變形對(duì)兩塔尺讀數(shù)的影響相同,兩者作差即可消除彎曲變形造成的影響,得到的差值僅由扭轉(zhuǎn)變形引起,巧妙地消除了彎曲變形的干擾。故確定此為最終的測(cè)量方案。其具體操作過程：在主柱模型頂端截面安裝兩支激光發(fā)射器,使用水平儀調(diào)整激光發(fā)射器,使激光水平打在左右兩支塔尺上。控制液壓系統(tǒng)對(duì)主柱模型進(jìn)行加載,此時(shí)激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄兩只塔尺上的讀數(shù)m和n。測(cè)量?jī)伤唛g的水平距離L,由幾何關(guān)系并利用三角函數(shù)公式可得主柱的扭轉(zhuǎn)角φ為

(1)

進(jìn)而可得主柱的扭轉(zhuǎn)剛度為

(2)

式中T為扭矩，l為主柱長(zhǎng)度。

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量裝置示意圖

加載時(shí),控制液壓叉車將重物舉起,將重物通過鋼絲繩懸掛在扭矩加載結(jié)構(gòu)最右端,控制液壓系統(tǒng)將重物的重量緩緩加載在主柱上,避免因加載過快對(duì)主柱模型產(chǎn)生較大的沖擊載荷,使主柱模型產(chǎn)生振動(dòng),影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3.2 扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量系統(tǒng)組成

扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量系統(tǒng)主要由塔尺、SW-M40手持式激光測(cè)距儀、三腳架、激光發(fā)射器等組成。SW-M40手持式激光測(cè)距儀(見圖5(a))由香港深達(dá)威儀器有限公司生產(chǎn),最大測(cè)量距離為40 m,測(cè)量精度±1.5 mm,激光波長(zhǎng)為635 nm,可進(jìn)行長(zhǎng)度、面積、體積的測(cè)量。激光發(fā)射器為5 mW、635 nm十字線激光發(fā)射模塊,供電電壓2.8～5 V,見圖5(b)。

圖5 手持式激光測(cè)距儀與激光發(fā)射器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用手持式激光測(cè)距儀測(cè)量?jī)伤唛g的水平距離L,測(cè)量3次取平均值為L(zhǎng)=4 240 mm。分別在扭矩加載結(jié)構(gòu)的掛點(diǎn)處懸掛質(zhì)量為98.84、115.08、125.51 kg的重物以模擬大小為349、406、443 N·m的扭矩。待讀數(shù)穩(wěn)定后測(cè)量?jī)伤呱系淖x數(shù)差,多次測(cè)量取平均值，計(jì)算得到主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度,結(jié)果見表3，剛度平均值為1.714×105Nm2。

表3 主柱的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)剛度

結(jié)合主柱模型的理論計(jì)算與有限元計(jì)算結(jié)果,對(duì)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性給予評(píng)價(jià)。

4 理論計(jì)算與有限元計(jì)算

4.1 理論計(jì)算

由于單柱拉線塔的塔頭與主柱為空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu),拉線為懸索結(jié)構(gòu),具有大位移、小應(yīng)變的幾何非線性特性,使用理論計(jì)算求解主柱剛度時(shí),需要非線性迭代求解,求解過程費(fèi)時(shí)、繁瑣。為簡(jiǎn)化計(jì)算,主柱的扭轉(zhuǎn)剛度基于課題組提出的拉線塔格構(gòu)式結(jié)構(gòu)力學(xué)模型簡(jiǎn)化方法進(jìn)行求解[12]。該簡(jiǎn)化方法將截面形狀為四邊形的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為薄板結(jié)構(gòu),薄板結(jié)構(gòu)的等效厚度te為

(3)

其中,E和G分別為材料的彈性模量和剪切模量，a為一個(gè)節(jié)間的長(zhǎng)度，b為節(jié)間的寬度，d為斜材的長(zhǎng)度，Ad為斜材截面積，Al為主材截面積。根據(jù)閉口薄壁桿的扭轉(zhuǎn)變形理論,格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的等效扭轉(zhuǎn)剛度為

GJeq=Gb3te

(4)

經(jīng)計(jì)算,主柱模型的等效扭轉(zhuǎn)剛度為1.843×105Nm2。

4.2 有限元計(jì)算

使用有限元方法計(jì)算主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí),一端為固定端約束,在頂端截面的最右端施加集中力(見圖6),集中力大小與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中重物的重力相同。在此偏心荷載作用下主柱會(huì)發(fā)生彎扭組合變形(見圖7)。提取主柱頂端4個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移,計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角與主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度,計(jì)算結(jié)果見表4。

圖6 主柱模型加載方式

圖7 主柱模型變形圖

表4 扭轉(zhuǎn)剛度有限元計(jì)算結(jié)果

有限元分析得到的剛度平均值為1.931×105Nm2。可見：實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1.714×105Nm2)與理論計(jì)算結(jié)果(1.843×105Nm2)、有限元分析結(jié)果較為吻合,誤差較小,證明了使用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量主柱模型的扭轉(zhuǎn)剛度具有較高的精度與實(shí)用性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了拉線塔主柱扭轉(zhuǎn)剛度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)測(cè)量原理簡(jiǎn)單,測(cè)量方法簡(jiǎn)便易行,巧妙地消除了彎曲變形的干擾。通過測(cè)量主柱模型的扭轉(zhuǎn)角,使用薄壁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形公式,即可得到主柱的扭轉(zhuǎn)剛度。可為驗(yàn)證主柱剛度的研究方法的精確性提供一種行之有效的實(shí)驗(yàn)方法。

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Experimental system on torsional stiffness of main column of UHV guyed tower

Yang Wengang, Chen Xiangyang, Wang Zhangqi

(School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

At present, the study of the torsional stiffness of the main column is mainly through the theoretical analysis and FEM calculation, but the accuracies of the analysis and calculation are not verified by experiments. Therefore, the experimental system for measuring the torsional stiffness of a main column is designed. The torsional stiffness of the main column model can be obtained by loading the main column model and measuring the torsional angle. The experimental results show that this system for measuring the torsional stiffness of the main column model has the simple measurement principle, and the easy and convenient measurement metho d. Compared with the results of the theoretical calculation and the finite element calculation, the measured results are rather consistent and have higher accuracy and practicability.

guyed tower; main column; torsional stiffness; torsional angle

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.021

2016-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608195)； 河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目(2015GJJG236)；華北電力大學(xué)優(yōu)秀青年教師教學(xué)支持計(jì)劃項(xiàng)目

楊文剛(1982—)，男，河北保定，博士，講師，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行技術(shù).

E-mail：hdywg@126.com

TM75

A

1002-4956(2017)4-0082-04