基于LS-DYNA的架空输电线找形程序

刘锐鹏，张耿斌，颜天佑

(1.广州电力设计院，广州 510610；2.广州供电局有限公司输电管理所，广州 510620)

基于LS-DYNA的架空输电线找形程序

刘锐鹏1，张耿斌2，颜天佑1

(1.广州电力设计院，广州 510610；2.广州供电局有限公司输电管理所，广州 510620)

基于悬索结构初始构形分析的原理和方法，应用于架空输电线的初始找形研究，以Visual Basic 6.0为平台，介绍了不等高悬点、连续档架空输电线的找形程序，生成适用于LS-DYNA分析的APDL文件，提高了架空输电线LS-DYNA找形工作的效率。

架空输电线；找形；LS-DYNA；APDL

0 前言

LS-DYNA有限元软件是目前结构分析中使用最为广泛的通用程序之一，其显示算法特别适合于分析各种非线性结构冲击动力学问题，如爆炸、结构碰撞、金属加工成形、架空输电线覆冰断线等高度非线性的问题，同时还可以求解传热、流体以及流固耦合问题。因此研究架空输电线找形在LS-DYNA上的实现具有一定的意义。由于LS-DYNA的全英文界面和相对较弱的前处理功能，在建模上需要花费较多的时间和精力。基于此，文章利用Visual Basic 6.0开发出架空输电线找形程序，将生成的APDL文件导入LS-DYNA，便可实现对连续档、不等高悬点的架空输电线精确找形。下面以某大跨越线路为例，验证了找形程序的可靠性和实用性。

1 输电线找形非线性有限元法

1.1 位移函数[1]

采用Lagrangian方法，建立曲线坐标Oξ，令s为单元变形前任意点到中点的弧长，则ξ= 2s/l，l为单元变形前长度，即原长。架空输电线单元模型如图1所示。

图1 架空输电线单元模型

设位移

式中：

Ni(i=1，2，3)为形函数，由节点的位移连续条件求得：

同时得到坐标的变换式：

式中，X= [x y z ]T；Xe=

式 (2)便决定了单元的初始形状。

1.2 非线性有限元法的基本原理

基本原理是在架空输电线弦线位置创建几何模型，采用适当的初应变和较小的弹性模量，施加自重荷载，逐步更新有限元模型，设定大变形以及应力刚化，以架空输电线水平应力为收敛条件，当结果满足收敛条件时退出循环迭代求解。在此线形下，恢复材料的真实弹性模量，设定较小的初应变，进行自平衡迭代求解，即求得架空输电线在自重荷载下的初始形态[2]。

2 找形程序开发

利用Visual Basic 6.0开发的架空输电线找形程序，输入几何、材料、有限元、覆冰等基本参数，该程序便能自动生成适用于LS-DYNA分析的APDL命令流，实现架空输电线找形的参数化建模。

架空输电线找形程序流程图如图2所示，PRC为计算所需精度，MAX=ABS((F0-F1)/ F)，其中F0为输电线弧垂最低点处水平张力，F1为LS-DYNA迭代分析所得输电线弧垂最低点处水平张力，ABS()为 Visual Basic 6.0中的函数。

3 算例分析

算例：某大跨越的主跨档距1 650 m，跨越塔采用酒杯型塔，塔高181.8 m，两塔高差0.5 m，架空输电线特征参数见表1。覆冰密度 0.8 g/cm3[3]。

图2 架空输电线找形程序流程图

表1 架空输电线材料特性

均匀覆冰厚度取15 mm，不均匀覆冰时将整档架空输电线按覆冰厚度分为5个区段，每区段水平投影长度330 m，假设同一区段内输电线覆冰情况相同[4]。不均匀覆冰分布工况见表2。

表2 不均匀覆冰分布工况

覆冰荷载下架空输电线的找形结果如图3、图4、图5、图6所示 (图中虚线为架空输电线自重荷载下初始构形，实线为覆冰后形变)。

图3 均匀覆冰下架空输电线形变

图4 不均匀覆冰工况A下 架空输电线形变

图5 不均匀覆冰工况B下 架空输电线形变

图6 不均匀覆冰工况C下架空输电线形变

4 结束语

1)提取均匀覆冰下架空输电线档距中央弧垂为116.065 m，均匀覆冰下解析法得到的弧垂理论值为115.885 m。二者找形结果差别不大，在0.2%以内，说明文中提出的找形程序是可靠的。

2)对于不均匀覆冰情况，只需要改变覆冰厚度参数，找形程序即可生成相应的APDL文件，有利于模型参数的反复修改，极大地提高了架空输电线LS-DYNA建模、找形工作的效率。

[1] 唐建民，何署廷，段春平.悬索结构非线性有限元分析[J].河海大学学报，1998，26(6)：45-46.

[2] LS-DYNA工程结构数值分析 [M].北京：人民交通出版社，2007：467-471.

[3] 李庆峰，范峥，吴穹，等.全国输电线路覆冰情况调研及事故分析 [J].电网技术，2008，32(9)：33-34.

[4] 孟遂民，单鲁平.输电线动力学分析中的找形研究 [J].电网与清洁能源，2009，25(10)：43-44.

Form-finding Program Development for Overhead Transmission Line Based on LS-DYNA

LIU Ruipeng1，ZHANG Gengbin2，YAN Tianyou1
(1.Guangzhou Electric Power Design Institute，Guangzhou 510610；2.Power Transmission Management Office of Guangzhou Power Supply Bureau Corporation，Guangzhou，510620)

Based on the principles and methods of form-finding for cable structures are used in the initial form-finding of overhead transmission line.With the Visual Basic 6.0 as a platform，form-finding program for overhead transmission line was developed，which can complete form-finding for overhead transmission line of differ-height hang point and continuous spans.The APDL applied to LS-DYNA is automatically generated and improve the form-finding for overhead transmission line based on LS-DYNA efficiently.

overhead transmission line；form-finding；LS-DYNA；APDL

TM75

B

1006-7345(2014)05-0050-03

2013-10-17

刘锐鹏 (1982)，男，硕士，工程师，广州供电局有限公司设计院，主要从事输电线路设计与运行维护方面工作 (e-mail) 30052535＠qq.com。