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中国电业【2020年第7期】

  • ID:271850
  • 浏览:2867
  • 学科:产业经济
  • 更新时间:2020-07-17 15:16:34
  • 期刊: 中国电业
内容简介
《中国电业》杂志创办于1950年,是全国电力行业创办时间最早、覆盖面最广、影响最大的杂志。杂志以多种形式准确、及时、深刻地反映电力工业的改革和发展,以深度调查和理论探讨形成独到风格,在国际国内及电力行业内外都有较大影响,在电力媒体中长期处于领军位置。

构造节点的精细模拟及其在输电铁塔结构分析中的应用解析

2020-07-17 15:19:05 产业经济 牛子儒
资料简介

摘要:为保证新设计的输电铁塔能够满足使用要求,我国相关规程规定对于新设计的塔型在大规模应用前需进行真型铁塔试验,以验证其承载能力是否达到设计要求,据不完全数据显示,真型塔试验常常耗资不小,而 一旦失败就必须重新设计和试验,这样势必造成设计周期 延长、成本增加 等一系列问题。 随着现代计算机应用软件的发展,有限单元法已经成为研究铁塔力学研究的一种有效手段。

构造节点的精细模拟及其在输电铁塔结构分析中的应用解析

牛子儒

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海西宁 810008

摘要:为保证新设计的输电铁塔能够满足使用要求,我国相关规程规定对于新设计的塔型在大规模应用前需进行真型铁塔试验,以验证其承载能力是否达到设计要求,据不完全数据显示,真型塔试验常常耗资不小,而 一旦失败就必须重新设计和试验,这样势必造成设计周期 延长、成本增加 等一系列问题。 随着现代计算机应用软件的发展,有限单元法已经成为研究铁塔力学研究的一种有效手段。

关键词:构造节点精细模拟;输电铁塔结构;应用;

实际的输电铁塔的螺栓连接节点并不是像理想的铰节点那样,实际节点存在一定自由度的约束,同时它还有一定的刚度,铁塔主材和斜材不只有轴向的力,实际的铁塔还存在各种其他的力存在,例如可能存在一定弯矩。对于输电铁塔的节点连接进行研究,建立一定模型,应用于输电铁塔有限元分析具有很好的科学意义。

一、有限元ANSYS简介

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于工程设计领域及科学研究中。主要是从静力学,几何学和物理学这三方面来对结构进行分析,可完成以下的任务:①分析结构的组成规律以及合理形式,合理选择结构计算简图;②分析结构的内力与变形,进行强度和刚度的计算。③分析结构的稳定性和其在动荷载下的响应。主要适合用于求解一些惯性和阻尼对于结构的影响并不是很显著的问题。静力学分析包括线性和非线性的,常见的非线性分析主要包括大变形、塑性、屈曲分析、膨胀、蠕变以及接触分析等。结构动力分析是用来求解结构作用受随时间变化的动载荷的影响。ANSYS一般可以进行的结构动力学分析的类型包括:谐波响应分析、模态分析、随机振动响应分析以及瞬态动力学分析等。与静力分析不同的是,动力分析需要考虑阻尼以及惯性的影响。可靠性分析可以用来评估模型中一些不确定的因素对有限元分析的结果的影响程度。不确定性主要包括:事物的模糊性、事物的随机性、认知以及不完善性。ANSYS主要采用响应面法和蒙特卡罗法等方法来进行结构的可靠性分析。输电铁塔结构虽然整体是钢架结构,但考虑到其节点一般采用普通抗剪螺栓进行连接,而螺栓较易发生滑移,所以将其归为高柔结构。当杆件受到载荷作用时,虽然其应变很小,然而由于铁塔几何尺寸较大,在载荷作用下杆件的空间位置将发生较大变化,这种想象本文称之为输电铁塔结构的几何非线性。由于输电铁塔应变位移变化过程符合非线性特征,所以在分析计算时须引入结构几何非线性理论。

  1. 构造节点的精细模拟及其在输电铁塔结构分析中的应用解析

1.对于一般的输电铁塔,为提高其整体刚度和强度,其连接方式本应该采用焊接或者采用铰制孔螺栓。但考虑到焊接不便于输电铁塔的分拆、运输以及线路后期出现的一些维修和改造工程等情况,一般不采用此连接方式。通常在一些少数比较关键的连接处采用焊接以提高局部刚度和强度;对于铰制孔螺栓,由于其螺栓部分直径与其孔之间的基本尺寸一样,是一种过渡配合状态,没有配合间隙,具有很好的防滑动效果,但对于输电铁塔的各种主材和其他构件的设计和组装要求很高,如果构件运输过程中产生弯曲变形等情况,一般很难完成整体铁塔的组装。所以目前输电铁塔常用通常是采用普通螺栓抗剪连接,对于这样的连接形式,很多的国家考虑了连接强度问题,但都对螺栓连接滑移变形问题欠缺考虑。然而对于输电铁塔来说,其各个螺栓连接节点螺栓的预紧力一般不是很大,螺栓杆与螺栓孔之间存在一定的连接间隙,在外力的作用下在螺栓连接部位较容易发生相对滑动,很多的的真型输电铁塔实验获得的实验数据表明一个问题:螺栓连接节点的连接滑移现象普遍存在于在输电铁塔中。对于输电铁塔的螺栓连接节点,对于输电铁塔,其螺栓连接节点的螺栓杆与螺栓孔的相对位置由于施工安装以及其他各种情况的影响可能出现各种不同的位置情况,在轴向载荷的作用下,普通螺栓从正常构造间隙的初始状态最终到达滑移后的状态,随着荷载的增大,变形随着变化。当两连接件之间荷载大于摩擦力之后,两连接件便发生相对滑动,从而消除构造间隙;若轴向载荷继续增大,螺栓杆与螺栓孔便会开始发生挤压,从而产生挤压变形。此时在螺栓连接节点杆件轴向的载荷小于该节点连接的滑移载荷,由于螺栓连接存在一定预紧力,使得连接件间存在相互摩擦,产生一定的摩擦力,当摩擦力较小的时候,两个连接件之间的相对滑移量也相对比较小,但此时的连接刚度较大。

2.常见典型构造节点的简化模型。输电铁塔常见的螺栓连接节点形式有:双肢搭接节点、简单节点、偏移节点、节省联接节点、普通联接板节点、火曲联接板节点等。本文利用ANSYS 中非线性弹簧单元来模拟螺栓节点的滑移过程,所谓双肢搭接,就是一角钢的两边单肢与另一角钢的两边单肢分别用螺栓进行连接的一种形式,通常两边单肢上具有相同数目的螺栓。这种节点普遍用于主材与主材之间的连接,通常此种螺栓连接节点连接的螺栓数目较多,可以使主材与主材之间较为的可靠连接。为输电铁塔中最常见,也是最简单的螺栓连接节点,连接件和连接件之间只有一个螺栓连接。偏移节点其他数目的螺栓的模拟连接过程以此类推。输电铁塔的塔身尺寸一般相对较宽,铁塔横截面相对较大,为提高输电铁塔承受横向载荷的能力,常在其腹杆体采用交叉斜材连接,在交叉点处常用一个螺栓将两斜材连接起来,以提高斜材以及整体铁塔的承载能力,然而在实际的输电铁塔中,当交叉斜材中的一个构件受拉一个受压时,轴向载荷并不通过构件形心,从而使得受拉斜材与受压斜材之间。存在相互作用,这种相互作用力对于受压斜材的承载能力会产生一定影响,因此要准确分析铁塔的受力性能,应当考虑交叉斜材在螺栓连接处的互相作用。利用非线性弹簧来模拟各种数目螺栓的连接滑移模型,得到了较为合理的节点简化模型。各种节点的简化模型可以很好的表现真实节点的力学特性。

3.基于构造节点模型的输电铁塔有限元建模。ANSYS中非线性弹簧是一个具有非线性功能的单向单元,可对此单元输入广义的力-变形曲线。单元可以很好的用于输电铁塔建模当中,用以描述铁塔主材、斜材等在其轴向的荷载位移过程。建立的各种节点的简化模型用于整体建模当中,考虑到本模型中节点形式和节点数量众多,建立模型相对较为复杂,采取如下建模过程:节点-通过节点生成单元,同时对单元赋予特征属性。利用这种建模形式,可以对各种节点进行编号,同时对节点之间使用单元可以很好的赋予相关属性,利用ANSYS中特有的命令流APDL进行相关模型命令语句的书写并最终导入ANSYS程序中,如此可以很好的建立铁塔模型,同时可以比较容易的对模型中出现的错误进行修改。塔身主材处两模型相对于实验铁塔的误差值不大,且模型的相对误差变化不是很大;但在斜材、辅材等处模型总体相对于有明显的减小趋势,在一些特殊点误差减小幅度很大。而斜材和辅材等主要是通过螺栓与主材连接,这也充分说明了螺栓连接节点对整体输电铁塔影响不容忽视。

本文考虑了节点的模型具有相对较小应变的误差,可以较为准确的反映输电铁塔的真实受力情况。在斜材、辅材等处基于构造节点的铁塔有限元模型相对于桁梁模型相对于实验真塔的应变误差总体有明显的减小趋势,在一些特殊点误差减小幅度很大,这充分说明了构造节点对铁塔的影响不可忽视,也说明了基于构造节点铁塔建模的有效性。

参考文献:

[1] 陈建稳,袁广林,刘涛,等.数值模型对输电铁塔内力和变形的影响分析[J].山东科技大学学报:自然科学版,2019,28(1):40—45.

[2]赵滇生,金三爱.有限元模型对输电塔架结构动力特性分析的影响[J].特种结构,2018,21(3):8-11.

[3]冯云巍.输电塔架ANSYS建模及动力特性研究[J].钢结构,2018,23(1):21—23,31.