基于ANSYS的双回路鼓型塔仿真模型研究

李陈

(国网四川省电力公司检修公司,四川成都 610000)

基于ANSYS的双回路鼓型塔仿真模型研究

李陈

(国网四川省电力公司检修公司,四川成都 610000)

本文以500kV双回路鼓型输电铁塔为研究对象,运用大型有限元分析软件ANSYS建立了钢架模型、桁梁模型和等截面梁模型,通过仿真模型计算与真塔试验数据对比分析,可以得出得出桁梁模型误差最小、模型仿真考虑质量增大系数后更符合规范的结论,供参考。

ANYSY 鼓型塔 仿真模型 研究

1 前言

500kV输电线路是电力输送大动脉,但大多数位于崇山峻岭中,运行条件比较恶劣,近些年常发生雪灾、地震、飓风等引起的导地线横担断裂甚至是倒塔事故,而输电铁塔是线路中最主要的承力设备,因此开展输电铁塔的仿真研究是十分有必要的。介于国内因输电通道走廊越来越紧张的缘故,采用双回路输电铁塔的比例也越来越高,本文将基利用大型有限元ANSYS针对常用的500kV双回路鼓型输电铁塔进行仿真研究,寻找更为精确的模型。

2 建立模型

目前国内外很多学者在铁塔仿真研究中建模方式较多,主要有将输电铁塔简化为桁梁模型、等截面梁模型、钢架模型、多质点模型进行建模研究,本文将运用ANSYS软件建立钢架、桁梁、等截面梁3种模型进行仿真计算,并将计算结果和真型塔试验数据进行对比分析,进而选择出精度较好的模型。

本文建模采用吨、秒、毫米单位制,角钢采用Q235、Q345、Q420,弹性模量2．06E5,泊松比0．3,密度7．85E-9T/mm3,建模时考虑角钢朝向,其中钢架模型全部采用BEAM188角钢梁单元,桁梁模型主材和斜材采用BEAM188角钢梁单元,辅助材使用LINK8杆单元,杆单元的横截面面积和对应的辅助材角钢的横截面面积取值一致,等截面梁模型采用BEAM188正方形截面梁,正方形边长根据对应的角钢横截面面积开方求出。

3 仿真分析对比

铁塔主材承担整个铁塔的主要受力,是整个铁塔的框架,由于本文研究塔型主要用于南方地区,本文主要研究0°风、60°风、90°风、断上导线、断中导线、断下导线6种工况下的铁塔主材受力情况,根据试验编号选取一些主材受力测试点(见图1)。分析中将使用和试验数据相同的荷载对3种ANSYS模型进行加载,并按照图1受力测试点位置取模型数据和试验数据进行对比分析。需要说明的是由于试验铁受到试验设备自重、试验设备的安装应力、残余变形等影响,试验铁塔存在初始应变,而ANSYS仿真模型里面每种工况下计算时的初始应变都一样,都是铁塔自重引起的,试验设备自重、试验设备的安装应力、残余变形等在仿真模型中无法体现,因此为了后续的仿真分析更加合理,本文使用应变改变值(100%荷载下的应变值减去0%荷载下的应变值)进行对比分析(见图2）。

通过ANSYS仿真数据[1]和真塔试验数据[2]对比分析可以得出钢架模型主材、桁梁模型主材、等截面梁模型主材在六种工况下的平均值均值误差见表1。

通过对表1的分析,可以得出三种模型中等截面梁模型主材误差最大,桁梁模型和钢架模型之间的误差相差非常小,桁梁模型比钢架模型误差略小,桁梁模型最为精确。考虑三种模型受力差异不是很大,而等截面梁建模不考虑角钢朝向问题,建模程序简化很多,在简化分析中可以采用等截面梁模型。

图1 主材测试点分布图

4 质量增大系数对仿真模型的影响

由于铁塔仿真模型在建模时进行了简化,没有对节点板、螺栓和脚钉进行建模,因此仿真模型的整体质量比试验塔要小,为了减小质量误差带来的影响,可以在仿真模型建模的时候考虑质量增大系数,具体方法是将铁塔实际质量除以仿真模型的整体质量,其中铁塔实际质量根据铁塔图纸获取,仿真模型整体质量可以通过查询整体体积命令后再乘以密度获得,进而求出本文研究的铁塔质量增大系数为1．2213。由于前文研究表明桁梁模型精度最高,本文将采用桁梁模型分析质量增大系数的设置对模态分析的影响,对考虑质量增大系数和未考虑质量增大系数的两种桁梁模型进行模态分析,采用Block Lanczos法分析前五阶频率和振型,计算结果参看表2。

图2 ANSYS模型受力分析图

表1 三种模型主材误差平均值均值比较

表2 桁梁模型前5阶模态

从表2可知,本文研究铁塔应避免建立在自振周期为0．5483S的地区。同时根据建筑结构荷载规范[3],关于结构基本自振周期T1的经验公为:T1=(0．007～0．013)H,其中H为铁塔高度,对于钢结构可取较高的值,本文研究铁塔高度为53．3米,对表2分析可知,桁梁模型考虑质量增加系数和不考虑质量增加系数的自振周期都在0．3731～0．6929s范围内,都符合规范要求,并且振型一致,但考虑质量增大系数的模型比不考虑质量增大系数的模型周期要长,更符合规范提倡的钢结构取高值的要求,同时考虑到仿真模型尽量和实际情况接近,因此建议在铁塔建模时候考虑质量增大系数。

5 结语

本文以运用大型有限元分析软件ANSYS建立了500kV双回路鼓型输电铁塔钢架、桁梁和等截面梁3个仿真模型,并将仿真数据与真型塔试验数据进行了对比分析,可以得出桁梁模型误差最小的结论。同时对质量增大系数进行了研究,考虑质量增大系数的模型比不考虑质量增大系数的模型周期要长,更符合规范提倡的钢结构取高值的要求,因此建议ANSYS分析模型中采用质量增大系数,供参考。

[1]杨暘 .输电铁塔试验仿真系统的分析模型研究[D].宜昌:三峡大学硕士论文,2011

[2]周新华.高压输电铁塔结构强度分析[D].北京:华北电力大学硕士论文,2002.

李陈(1969—),男,工程师,主要从事超特高压输电线路检修管理工作。