变电构架复杂节点仿真分析系统开发与应用
2018-12-20刘建秋商文念赵海涛魏珍中李林
刘建秋，商文念，赵海涛，魏珍中，李林
(1.山东电力工程咨询院有限公司,山东 济南 250199；2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098)
大型变电构架节点型式多样、受力状况复杂、荷载组合繁多，通常一个构架的设计涉及数百个工况的组合和校核。变电构架为空间三维结构体系，但为便于计算，设计规范中将其简化为空间杆系结构[1]，多数的有限元仿真计算分析也是同样简化[2]。处于杆系结构交汇处的构架节点，被视为一个整体，借助杆端内力进行分析，从而无法精确分析复杂构架节点中各部件的受力状态[3-4]。因此，目前对于构架节点内部各组成构件的设计多依靠经验进行，板材和螺栓选型缺乏计算依据，为保证结构的安全，设计大多过于保守。
然而，由于构架节点构成复杂、组成部件较多，工程设计人员若是对每个构架节点均进行三维有限元建模和仿真分析，则工程量非常大。此外，网格划分精度和计算分析过程的求解设置，也对一般设计人员造成较大困扰。因此，针对构架复杂节点的主要特征，对典型型式的构架节点进行参数化、可视化有限元建模和仿真分析系统的开发，将大大缩短设计人员的计算分析周期，提高设计效率和设计精度。
1 参数化设计方法与步骤
变电构架节点虽然型式多样，但是在设计过程中，同一种型式的构架其节点通常为2～3种，如终端构架、中间构架或转角构架，并且这些构架节点的组成形式和部件构成通常是固定的。因此，对于常用的构架节点型式，将其几何尺寸、材料参数、网格划分和后处理等进行特征提取并进行参数化设计，可以较大程度地提高设计效率。
常见的参数化方法主要有4种：代数方法、人工智能方法、直接操作法和语言描述法[10]。各种参数化设计的实现方法由于目的与环境各异，其功能也各有侧重或不同。由于语言描述法使模型修改简单易行，对于非尺寸链上的元素可不必设置参数名，用户不必担心其是否准确设置，程序能根据用户定义的约束条件，自动求出物体的精确模型。因此，本文变电构架复杂节点的建模系统采用ANSYS中APDL及UIDL的语言描述法。具体步骤如下：
(1)提取特征参数。分析工程图纸，根据模型的几何结构、形状特征抽象提取描述模型的特征参数，并根据模型特点在保证精度的前提下适当简化。分析模型的定形和定位尺寸，研究几何尺寸链，定义几何尺寸参量。
(2)定义参数值。定义必须的几何尺寸参数，可以赋予相应的常用值。
(3)创建几何模型。采用参数变量名作为几何尺寸输入，同时采用输入指定编号的方法来进行几何对象的创建，并命名好组件，再利用组件进行操作处理，如布尔操作、镜像等。
(4)赋予材料属性。定义每个部件的材料属性参数变量名，根据工程实际采用的材料赋予相应的材料参数值，使得任一构件的材料属性根据实际工程情况而确定。
(5)单元网格划分。根据几何拓扑特征划分模型单元网格，对于简单模型采用映射四边形网格或者扫描单元网格，此类网格规则单元形状容易控制，精度也较高；对于结构形式复杂的构件，优先考虑映射网格划分，当映射要求不满足时则自动转为自由网格划分。为网格调整的整体协调与统一设置，本系统开发中设置了网格尺寸控制的主参数，基余各构件的网格尺寸参数均为该主参数的函数，在构件尺寸无较大幅度变化的情况下，仅调整尺寸控制主参数，就能对各构件的网格尺寸进行调节；当局部构件尺寸变化较大的情况下，可以通过调整局部网格尺寸或改变该尺寸与主参数函数关系来进行调节，达到良好的适应性，既保证计算精度又能提高计算效率。
2 用户界面设计
UIDL是改造和编制ANSYS图形界面的专用语言，允许用户对ANSYS软件图形界面组项进行添加或修改，提供各类命令的输入参数接口，支持控制开关选项[11]。用户利用UIDL可以定制满足自身需求的新的GUI界面，完成主菜单、对话框和帮助系统界面设计，使有限元分析更加直接明了[12]。
2.1 UIDL的构成
UIDL语言的菜单和标准对话框由控制文件建立，控制文件通常是由一个控制文件头和若干个构造块组成，每个构造块对应一个GUI 元件[13]。
2.1.1 控制文件头
控制文件头位于.GRN文件的头部，描述了控制文件的重要信息，如文件名，文件的说明以及GUI的位置信息等，必须以冒号(:)开头。控制文件头头部代码如下，详细说明见表1。
:F UIMENU.GRN
:D Modified on %E%, Revision (SID) = %I%
:I 0, 0, 0
:!
表1 控制文件头命令
2.1.2 构造块结构
构造块内容是UIDL控制文件的核心，按照不同的功能类型可划分为菜单构造块、命令构造块和帮助构造块。构造块主要由构造块头、数据控制和构造块尾3部分组成。
(1)构造块头部分
构造块头通常由N、S、T、A、C、D等构成，详细说明见表2。
(2)数据控制部分
数据控制部分构成了菜单的主要内容和格式，至少需要一行信息，不同的结构块有不同的语法[11]。
(3)构造块尾部分
构造块尾部均以单独一行“:E END”，标志着构造块的结束。此外，在构造块尾部下一行通常用“:!”将各个构造块隔开。
表2 构造块头构成的说明
2.1.3 应用实例
本例通过变电构架复杂节点仿真分析系统的主界面来介绍UIDL的应用，在UIMENU.GRN文件中修改ANSYS的主菜单。具体代码和说明如下：
:F UIMENU.GRN !建立名为UIMENU.GRN的控制文件
:D Modified on %E%, Revision (SID) = %I%
:I 0, 0, 0 !0位于第9、18和27列
:! !分隔符，分隔控制文件头和构造块
:N Men_MyJoint !定义构造块名字
:S 0, 0, 0 !0位于第9、18和27列
:T Menu !阐述该构造块类型为菜单构造块
:A变电构架复杂节点仿真分析系统 !定义出现在子菜单中的名称
:D变电构架复杂节点仿真分析系统 !构造块信息描述
Men_Welcome !调用欢迎菜单
Men_MyJointModel !调用建模子系统菜单
Men_MyJointCalac !调用计算子系统菜单
Men_MyPost1 !调用后处理子系统菜单
:E END !构造块尾部分
:! !分隔标记
2.2 用户界面设计步骤
用户界面设计的关键，一是核心计算模块APDL语言的输入与输出参数，及其功能的实现；二是正确编制UIDL语言的控制文件。在此基础上，按照下面的步骤和方法可顺利实现适用于变电构架复杂节点的ANSYS菜单界面的二次开发。
步骤1：建工作目录E:2ND，将C:ProgramFilesANSYS Incv120ansysguien-usUIDL文件夹内的menulist120.ans、UIMENU.GRN、UIFUNC1.GRN和UIFUNC2.GRN四个文件复制到工作目录下，并编辑menulist120.ans文件内的工作路径到该工作目录，用户每次启动ANSYS都要进入该目录作为工作路径，内容如下。
E:2NDUIMENU.GRN
E:2NDUIFUNC1.GRN
E:2NDUIFUNC2.GRN
步骤2：根据基于APDL语言的分析过程，从菜单结构、功能函数设置以及各对话框、拾取框的布局，变量的输入输出形式等方面总体规划图形界面的设计。
步骤3：启动ANSYS查看用户定义的菜单是否按设计要求出现在ANSYS菜单中，若ANSYS无法正常启动，或菜单出现的界面与预期不符，则应调试控制文件中的程序，确保程序语言正确和准确。
步骤4：调试完成后再重复步骤3，直至界面设计达到预期效果。
步骤5：基于APDL语言，将用户界面上需要体现出的各种功能(如建模、计算和输出等环节)，编制入ANSYS核心计算的宏文件。
2.3 系统的组成
开发的变电构架复杂节点仿真分析系统主要由欢迎界面、建模子系统、计算子系统及后处理子系统4部分组成，主菜单如图1所示。
图1 变电构架复杂节点仿真系统主菜单Fig.1 Main menu of simulationanalysis system for complex joint of structural gantry of switchyard
2.3.1 欢迎界面
欢迎界面主要是对系统的简要介绍，同时提供本系统两种建模方式的选择，一种是直接读入APDL文件，适用于对ANSYS有限元分析比较熟悉的设计人员；另一种是通过系统中的GUI界面按步骤建模，易操作。
2.3.2 建模子系统
图2 建模子系统菜单Fig.2 Menu of modeling sub-system
建模子系统菜单如图2所示，包含材料参数、构架整体模型、节点类型、节点建模、节点分网和网格生成5个部分。
材料参数可通过选择钢号自动赋值，或手动输入。在节点类型选项中，可以选择220 kV T-1等5种典型构架节点型式，进行各组件几何参数的输入。
设计人员只需将上述参数输入完成并确认后，即可生成节点的几何模型。然后通过节点分网对话框输入剖分信息，手动指定网格尺寸是指直接输入构件几何边长剖分份数；智能网格剖分控制参数以网格控制主参数为基准的尺寸系数，数值越大，单元尺寸越大，网格越疏。设置好网格尺寸后，赋予构架节点处组件单元类型与材料参数，进行网格划分，最终完成有限元模型的建立。
2.3.3 计算子系统
变电构架复杂节点仿真分析系统的计算子系统包括分析类型、非线性选项、结果输出控制、加载过程、施加位移约束、计算运算和读入计算命令流等七部分。
分析类型中目前设置静力分析选项。变电构架复杂节点分析涉及的分析重点是法兰盘相互间的接触非线性分析。非线性选项主要包括大变形开关、求解器和算法的设置、自适应控制选项、收敛准则的定义和平衡迭代次数的定义。由于接触问题通常不易收敛，计算分析中需要在荷载步中适时修改刚度矩阵，故通常会选用自适应控制选项。求解器的选择一般需要根据模型的单元自由度的数量来选择。ANSYS中提供多种收敛准则，可供计算选择。
2.3.4 后处理子系统
后处理子系统用以查看并输出模型的计算结果，包含各个荷载步下的结果数据，可以通过等值线、云图及动画演示的形式展示，方便直观地查看模型计算结果。
3 仿真系统的验证与应用
3.1 工程概况
某220 kV变电站屋外构架节点，其上下柱通过法兰与构架中心节点组件相连，下柱为两根分叉的钢管，形成人字形柱。人字形柱在平面外采用法兰的形式与正十二边形的钢管梁相连。
3.2 原型试验及分析
图3 构架节点试验模型Fig.3 Experimental modelfor joint of structural gantry of switchyard
在模型应力复杂的部位粘贴应变片，通过液压千斤顶对加载点施加荷载，静态数据采集仪采集各工况下应变值，获得构架节点变形情况。
3.3 有限元仿真
图4 构架节点有限元网格模型Fig.4 Finite elementmesh model for joint of structural gantry of switchyard
根据试验模型，采用参数化建模，并划分网格，建立了有限元网格模型(见图4)，梁柱采用Shell181壳单元，单元总数11 261，节点总数10 504。钢材根据部件不同分别为Q345B和Q345C管材或板材，采用理想弹塑性模型，屈服强度345.0 MPa。模型底部采取固定约束。为避免加载端应力集中和真实反应试验加载垫块的作用，在加载垫块区域内施加均布荷载的方式模拟千斤顶加载。采用静力分析进行求解计算。
3.4 结果对比分析
为便于分析比较，本次验证采取单点加载工况，即在上柱顶部垂直于梁的长度方向施加水平荷载F(如图4所示)，大小为54.85 kN。
取上柱与节点相连处法兰下部的加劲板处(图4矩形框内)的应变测试值为分析对象。图5是上柱加劲板应变片的布置图，测点AS89位于受拉侧，测点AS97位于受压侧。
在上柱单点水平荷载作用下，上柱加劲板应变试验结果与数值仿真计算结果对比见图6。从图中总体趋势可知，从AS89号测点至AS93号测点拉应变逐渐减小至0，从AS93号测点至AS97号测点压应变逐渐增大至最大值，并且与另一侧应变值相对称，可见试验结果和数值仿真计算结果定性上均符合材料力学原理。
图5 上柱加劲板应变测点分布图Fig.5 Location of test points for strain on stiffenedplate of upper column
图6 上柱加劲板各测点应变试验值与计算值Fig.6 Experiment results and calculation value of strain on stiffened plate of upper column
从试验结果的定量分析来看，试验测得AS89号测点处拉应变最大值为156.0微应变，AS97号测点处压应变最大为-179.0微应变，二者基本符合拉压对称规律；中和轴处的AS101号测点和AS93号测点微应变分别为-10.0和3.0，接近于理论值0。这是由于模型制作的微小偏差、加载时加载点的不完全精确对正等因素，产生实测应变值有所偏差。从计算结果的定量分析来看，最大拉应变AS89号测点处和最大压应变AS97号测点处应变值分别为133.78和-137.56微应变，对称性较好；中和轴处的AS101号测点和AS93号测点微应变分别为0.01和0.98，相较试验值更接近于理论值0。这是由于有限元计算模型建模为理想模型，几何尺寸上严格对称、加载点能确保对中、材料参数完全一致，因而与理论值有较好吻合。
试验结果与计算结果的比较见图7，两者数据相关系数为0.936，可以认为在单点加载工况下两者结果是基本吻合的。
图7 计算值与试验值的比较分析Fig.7 Comparison between calculation value and experiment data
4 结语
本文采用ANSYS二次开发中的参数化程序设计语言APDL和用户界面设计语言UIDL，开发了变电构架复杂节点仿真分析专用系统。基于参数化建模和友好的用户交互界面，实现构架节点各组成部件精细化受力分析，弥补了常规设计中节点板材和螺栓选型依据的不足，提高了设计人员的设计效率和设计水平。同时开展了构架节点原型试验研究，对该仿真系统进行验证与应用研究。
本文重点研究了构架节点的参数化建模与分析，然而节点仅是构架的组成部分之一。目前变电站构架设计时受力分析常采用STAAD软件，但该软件未能对节点进行详细建模和分析。因此，基于子模型概念，后续进一步将STAAD整体模型与本文构架节点模型进行有效衔接，从而可以更加全面地进行变电站构架及其节点受力分析和设计，为提高变电站构架设计水平提供技术支撑。
