输电管塔结构强度分析软件
第23卷 第8期
电 力 建 设
ElectricPowerConstruction
Vol.23 No.8Aug,2002
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2002年8月
输电管塔结构强度分析软件
李清华,鲍务均,龙小乐
(武汉大学,武汉市,430072)
[摘 要] 管塔具有弹性好、外形美观、安装方便等优点,是城网改造的理想产品。但管塔属高耸轻型结构,在外载
作用下,易发生小变形大位移,必须计算管塔强度和挠度。计算软件采用VisualBasic和DigitalFortran混合编程方法,分别编制出前、后处理模块和计算模块,使程序具有强大的数值计算功能和与用户交互的良好界面,实现了对管塔多工况几何非线性有限元分析。
[关键词] 管塔 混合编程 几何非线性 有限元法 多工况
中图分类号:TM753 文献标识码:A 文章编号:1000-7229(2002)08-0034-04
StrengthAnalysisSoftwareforStructureofTransmissionTubeTowers
LiQinghua,BaoWujun,LongXiaole
(WuhanUniversity,WuhanCity,430072)
[Abstract] Thetubetowerhasadvantageslikegoodflexibility,finelookingandconvenientforinstallation,etc.anditisanidealproductforreformationoftheurbanpowernetwork.Thetubetowerissubjecttothestandtall,lightstructure,towhichsmalldeformationandgreatdisplacementoccureasilyundertheactionoftheexternalload.Soitisnecessarytocalculatethestrengthanddeflectionofthetubetower.ThecalculationsoftwareadoptsthemixedprogrammingmethodwithVisualBasicandDigitalFortrantoworkoutthepre-andpost-treatmentmodulesandcalculationmodulesrespectively.Inthiswaytheprogramhasstrongcalculationfunctionandgoodinterfaceinterchangeablewithusersandrealizesthegeometricnon-lineardefiniteele2mentanalysisformultipleconditionsofthetubetower.
[Keywords] tubetower;mixedprogramming;geometricnon-linear;definiteelementmethod;multipleconditions
管塔是一种塔身为锥形钢管,用法兰与基础连
接的新型输电杆塔。管塔与传统框架式铁塔相比,具有弹性好,外形美观,占地面积小,安装方便,接头易防腐处理等优点,是城市电网改造的理想产品。管塔杆身横截面分为薄壁圆形和正多边形2类。管塔属高耸轻型结构,在外载作用下,易发生小变形大位移,必须考虑几何非线性效应。本文对管塔强度和挠度的有限元计算进行了分析,并用面向对象的方法编制了一个较为通用的软件,包括前、后处理和计算3个模块,可对各种类型的管塔进行多工况有限元分析。
面,只要输入较少的数据,程序就可以对管塔进行单元细分、单元节点自动编号,并进行编号优化处理以减小总刚度的带宽。1.1 数据模板为便于输入数据,设计了输入数据模板,将已输入的模型数据以数据库形式保存。数据模板的结构如下:
(1)总体信息:包括计算类型、初始节点总数、单元数、集中载荷总数、集中载荷工况总数、风载荷工况总数、标准设计应力、控制设计应力等整体参数的输入。
(2)节点信息:对初始节点进行描述,包括节点编号和坐标值。为了方便横担成圆周布置的塔型(如转角塔)节点坐标值的输入,提供2套坐标系让用户选择,即:标准直角坐标系和柱坐标系。
(3)单元信息:包括左右节点编号、左右端面直
1 前处理部分
管塔在进行有限元分析时,需输入的数据较多,手工输入工作量大,且容易出错,因此,用VisualBa2
sic编写了前处理程序。采用流行的Windows用户界
收稿日期:2002-03-10
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径、单元壁厚、截面形状(多边形截面的边数,圆形边数为零)等初始单元的描述。
(4)集中载荷信息:包括导、地线载荷和作用节
度全部约束,其他单元允许6个自由度,即沿坐标三
轴的位移和绕三轴的转动。1.5 原始模型图形显示
点X、Y、Z三个方向的载荷分量、工况号的输入。
(5)风载荷信息:包括风压、风速、风向角、调整系数、体形系数、风压基准高度、工况号、地域等的描述。1.2 结构离散化结构离散化,即把一个完整的结构分解成由有限个单元组成的体系,对结构进行离散化即按照一定顺序,对结构进行节点编码和单元编码。
一般说来,划分单元的节点应该是结构杆件的转折点、交汇点、支承点或截面突变点等。对管塔而言,若只按上述节点划分单元,必定会使单元过长,计算不准确。因此,还需人工划分一些节点,以提高计算的精度。再划分的原则是按每50mm(因为节点数目增多,势必增加计算量,因此可以人为控制节点数目,例如800节点。当节点总数超过指定数目时,程序自动增大均分长度)划分一个新节点,这样既可使单元长度减少,提高计算的精度,又可控制节点数目不至过多。1.3 节点编号的优化
程序细分后的节点,应对其编号进行优化,使得总体刚度阵的带宽减至最小。常采用逆丘吉尔-姆肯(Cuthill-Mckee)方法,此方法用到了图论及其术语中的相邻和度2个概念。即:如果节点附属于同一个单元,则称它们为相邻的。节点的度就是与它相邻的其他节点数目。本文针对管塔的具体特点,利用其主要思想,按以下方法进行节点编号优化。
(1)选取管塔最高点(即Z值最大点,若有多个最大Z值点,则比较其Y值取其大者,若还有多个,再比较其X值取其大者),通常这个节点的度为1,将其编号为1,节点1位于第1层。
(2)将与节点1相邻的节点按度增加的次序编
在前处理部分,我们编制了图形显示窗口,将原始模型用图形显示出来,并标识节点编号,可以方便用户检查输入数据的正确性。
2 计算例程
参考ADINA源程序,用DigitalFortran5.0编制计算例程。ADINA程序是目前国际上比较著名的线性、非线性的静、动力分析程序之一,在国内外较受工程界和学术界的欢迎。2.1 单元截面几何性质管塔是拔梢结构杆件,按上述单元细分后,因其长度较小,单元各处截面尺寸变化不大,因此,可以各段中点处截面尺寸来计算该单元的截面特性,再按等截面单元来进行有限元计算。管塔杆身一般采用薄壁正多边形截面和圆环截面钢管,为了数据输入的方便,我们将内、外正多边形截面等效为圆环截面(即面积、惯性矩、抗弯模量等效)。
具有正n边形截面的面积和惯性矩公式(其中D1、D0为截面内、外表面的内切圆直径):
S=ntan
n
2
(D20-D1)
Ix(Iy)=ntan
π
n
3+tan2
192
4
(D40-D1)
圆截面的面积和惯性矩公式:
22S=(D0-D1)
4
π44
Ix(Iy)=(D0-D1)
64
设K0为外截面等效系数,K1为内截面等效系数,则正n边形截面的面积和惯性矩等效公式:
(
K0D0)2-(K1D1)S=4(4K0D0)-(K1D1)Ix=64
3+tan2
ππ设:k1=ntan k2=n・tannn192
22
(D0+D2(D0-D2k3=1) k4=1)πk1
则:
K0=
K1=2D20
2D21
号为2、3等,若有相同度的节点,则按Z值、Y值、X
值依次比较,从大到小编号,这些节点位于第2层。
(3)按(2)的方法继续依次编号,得第3层、第4层……,直至最后一层,将所有节点编号完毕。
(4)将节点倒过来编号,其方法是用n-i+1来
代替编号i,i=1,2,3,……,n。
经过以上4步,就可以得出优化后的编号,其中(4)倒编号不会改变总刚度带宽。1.4 约束的处理在管塔的有限元分析中,我们采用“两节点三维梁元”。管塔的根节点与基础法兰连接,其6个自由
在计算单元内、外径时,只需将正n边形内、外
径乘以相应的等效系数,即为等效的圆环截面了。
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2.2 集中载荷和自重
电 力 建 设第23卷
集中载荷主要指导、地线荷载,作用在有限节点上。输入时要求输入单个载荷沿坐标轴3个方向的分量Fx、Fy、Fz,与坐标轴正向一致时为正,反之为负。
对于管塔自重,程序以普通钢材密度为准自动算出。2.3 风载荷由于工作地域不同,必须考虑风载的影响。虽然风载为不均匀分布荷载,但单元经过细分后,每个单元的长度很小,可视风载在其上面是均匀分布的。于是将每个单元上的风压乘以迎风面积得到集中风载荷值,然后将其作用在细分单元的端点上。依照设计规范,按不同地域选用3套风压系数计算公式:
一般地区:Uz=(Z/10)0.32;大城市:
Uz=0.713×(Z/10)
0.4
3 后处理部分
后处理部分主要是将有限元计算的结果加以整理,以文本和图形2种方式输出。3.1
计算应力
图2 单元积分点示意图
;海边:Uz=1.379(Z/10)
0.24
。
在计算模块里,对细分后的薄壁两节点三维梁元,其非线性分析采用等间隔的积分点,如图2所示“,×”标识处为积分点。在轴线方向,积分点数为5;在端面上,沿圆周积分点数为8,由于薄壁,沿径向积分点数为1。
在每个积分点上,均存在3个应力分量,即轴向
τ应力σr和径向2个剪应力τs、t。由各应力分析可知,各应力的最不利组合必定发生在单元端面的边
缘处。因此,要验算应力,就得求出各单元的最大应力值,即求端面各积分点处应力值的最大值。然后采用材料力学第四强度理论求得计算应力:
222
σcal=r+3(σs+σt)
式中 Z———风压计算高度(为风压基准高度加上计
算单元中点坐标值)。
风压等效节点力的计算公式:Fz=KtUzUdW0A0式中 Kt———调整系数;
Uz———风压系数; Ud———体形系数;
Wo———基本风压,Wo=V2/1600,kN/m2; Ao———迎风面积,m2; V———风速,m/s。2.4 多工况
本软件的最大特点就是能对同一管塔作多工况分析计算。在新建模型,输入集中荷载和风荷载时都要作工况选择。若采用对模型按时间步逐步增加载荷,即对每个工况分配相同的时间步数K。如工况数为i,则程序将计算i×K个时间步。示意如图1(设有3个工况),表示对每个作用节点施加荷载时的时间步
。
3.2 设计应力
按照铁塔设计规范计算设计应力:
(正方形、3.2.1 板折弯角≥45°正八边形)
当W/t≤660/当660/
Fy时: Fa=Fy;
Fy时:FyW/t)。
Fy≤W/t≤925/
Fa=1.42Fy(1.0-0.000448
式中 Fy———标准设计应力;
Fa———按规范规定折算后该段的设计应力; W———管塔该处外截面正多边形边长; t———管塔该处壁厚。3.2.2 板折弯角=30°(正十二边形)
当W/t≤610/Fy时:Fa=Fy;
图1 多工况示意图
当610/
Fy≤W/t≤925/Fy时:FyW/t)。
Fa=1.45Fy(1.0-0.000507
3.2.3 板折弯角=22.5°(十六边形)
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当W/t≤545/当545/
Fy时:Fa=Fy;
Fy时:FyW/t)。
Fy≤W/t≤925/
4 程序实现
在程序编制时,要使软件适应当前流行的Win2
dows交互式、多窗口图形操作系统,采用了DigitalFortran和VisualBasic混合编程的方法,使程序既具有强大的数值计算功能,又具有与用户交互的良好界面。其框架体系为:用VisualBasic编制出主程序,构造用户界面,进行前后处理,实现初始化数据和结果数据的输入和输出。用DigitalFortran编制计算例程(函数过程和子例子程序过程),用于进行有限元计算,并将其编译成动态链接库(DLL),供VB调用。DF例程与VB主程序通过参数和文本文件实现信息传递,其中参数传递控制信息,文本文件传递有限元结构模型数据。
Fa=1.42Fy(1.0-0.000539
因为目前极限状态设计和控制应力设计2种概念并存,所以在前处理总体信息输入时,要求用户输入“标准设计应力”和“控制设计应力”。而程序在计算结构加载后的应力时,主要以用户要求控制的应力(即控制设计应力)作为应力验算的标准,而辅以标准设计应力(折算后),这样程序才能适应极限状态设计和控制应力设计2种概念、2种方法。3.3 结果输出
在后处理中,整理计算结果,以文本和图形输出。由于存在多工况分析,文本输出包括单工况和多工况综合分析2种。在管塔的单工况输出中,我们最关心的是主要节点处的挠度以及各塔段的强度是否超过设计要求。因此,后处理输出部分只需输出塔顶、各塔段(横担及塔身)端点的位移,各塔段中最大应力发生的位置及应力值的大小,以及基础所受作用力。在管塔的多工况输出中,我们将管塔的横担和塔身以细分后的单元为单位,输出各工况比较后的最大应力值和相应工况号,并与设计应力作比较,看是否在允许范围内。对于管塔施加荷载后的变形可以图形显示,如果是多工况,可多工况同时显示。
(上接第33页)率为0.43Hz。通过适当选取TMD系
5 结束语
随着管塔在高压及超高压输电线路中的应用越来越多,其优化设计将成为重点研究的课题。本文对管塔的几何非线性有限元分析作了初步的探讨,并对强度分析软件的构成作了简单介绍。本软件能对各种不同截面形状的管塔进行多工况静力分析,并以文本和图形2种方式输出分析结果,对管塔的设计验算和优化具有很好的指导作用。
(责任编辑:李连成)
(14)式分别计算出VED的4。根据设计参数按(13)、
统在x、y方向的弹簧刚度和阻尼器参数即可实现最
优参数设计。2.2 VED设计
刚度Kv和阻尼Cv,代入结构体系总体刚度矩阵和阻尼矩阵中,即可对TMD和VED联合控制下的体系进行风振响应分析。
在下、中横担间布置VED,考虑到不能断开主材,又需利用构件变形,只能在受力较大的斜杆上并联VED装置。塔架上部四层的斜杆为T形截面,适合安置VED装置。VED装置采用类似三夹板形式,采用与斜杆并联的附加角钢作为支撑,为避免干扰交叉斜杆及支撑杆过长,在每根斜杆上设置4个VED,共128个,如图3所示。粘弹性阻尼材料的厚度取3cm,长度取300cm,通过调整支撑刚度来保证粘弹性材料有足够的变形。粘弹性材料的储能模量为G′=113N/cm2,损耗模量为G″=158N/cm2,耗损因子为η=1.398。粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合粘结而成。根据杆件长度粘弹性阻尼杆分阻尼杆1和阻尼杆2两种,其构造见图
3 结论
通过计算表明,江阴大跨越塔线系统采用TMD和VED进行风振响应联合控制,对导线张力、塔顶位移和加速度均有不同程度控制效果,其响应最大值减小了10%～20%。
4 参考文献
1 王肇民主编.高耸结构振动控制.同济大学出版社,1997
2 胡松.大跨越输电线路的风振反应分析及振动控制研究.同济大学
博士论文,1999
3 聂颖.高层建筑悬挂结构体系的风振响应分析及其控制研究.同济
大学硕士论文,1999
(责任编辑:李连成)