输电塔-线体系舞动仿真及控制研究

舞动是输电线高频低幅的自激振动,本文基于ANSYS建立了输电塔-导地线-绝缘串的塔线耦合体系非线性有限元模型,提出了采用重启动技术进行覆冰导线的水平、竖向、扭转三方向舞动分析,并通过经典算例验证了此新方法的可行性;进行了不同风速工况下输电塔-线耦合体系的舞动仿真,得到了体系舞动振幅和输电塔动力响应。同时针对典型工况,进行了相间间隔棒及多点压重防舞措施的舞动控制分析,并对不同布置方案的舞动控制效果进行了比较,确定了有效舞动控制方案。     

覆冰输电线结构及载荷对舞动的影响

为深入研究导线结构形式对输电线路系统动力学特性影响,以及导线结构形式及气动扭转载荷对覆冰输电线路舞动规律及幅值的影响,采用ANSYS参数化设计语言编写了计算导线舞动的非线性有限元分析程序,计算得出了系统气动载荷作用下的时间历程曲线。发现：在相同的气象条件下,分裂导线的振幅明显大于单根导线,且分裂数越高,导线越容易在短时间内形成稳态的舞动,应尽量采用单根导线或减少导线分裂数;扭转气动力载荷对面内外舞动的规律及幅值影响不大,对扭转角的幅值有较大影响,因此可忽略扭转气动载荷对断线和倒塔的作用。     

覆冰输电线路舞动气动阻尼识别

利用覆冰导线刚性节段模型外加弹簧及配重模拟覆冰输电线路竖向及扭转运动动力特性,制作了D形覆冰单导线、新月形覆冰单导线和分裂导线竖向-扭转二自由度气弹模型,通过调整模型竖向/扭转自振频率比及风速、风攻角,于风洞中激发了D形覆冰单导线气弹模型的纯竖向和竖扭耦合失稳舞动,以及新月形覆冰分裂导线气弹模型的竖扭耦合舞动,并记录了其响应时程,通过Hilbert变换进行了竖向舞动和扭转气动阻尼的识别,研究了风速、风攻角、竖扭频率比、覆冰断面、导线数量及布置形式对气动阻尼的影响。对D形覆冰导线纯竖向舞动时根据响应识别所得气动阻尼比与根据Den-Hartog机理计算所得理论气动阻尼比进行了比较。试验结果表明：舞动时气动阻尼比为负值,在试验风速范围内其绝对值随风速增长而增大;D形覆冰导线纯竖向舞动时识别所得气动阻尼比绝对值略小于理论气动阻尼比;导线分裂数量对气动阻尼具有影响;扭转响应对竖向舞动气动阻尼的影响则较为复杂。     

分裂导线扭转舞动分析的动力学建模

高压输电线路导线覆冰舞动分析的主要困难,是由导线的大幅运动与随导线几何位形而变化的非线性气动力之间的相互耦合产生的。对伴有大幅扭转运动的分裂导线的舞动,由于安装了间隔棒和防舞器,必须考虑导线结构产生的约束非线性和重力非线性。本文应用虚功原理建立了整个分裂导线结构总值形的基本虚功方程,分析推导了间隔棒和防舞器的非线性动态特性与非线性约束特性,在此基础上,最后得到了分裂导线结构舞动分析的动力学模型．所得结果为进一步分析计算分裂导线的舞动打下一个基础。     

随机风场中覆冰四分裂导线防舞研究

针对提出的一种适用于四分裂导线的防舞装置,采用数值模拟方法研究其防舞效果。给出新月型覆冰四分裂导线空气动力系数随攻角变化的风洞试验结果,为数值模拟研究提供基本参数。采用数值方法模拟沿线路变化的多点互相关风速时程样本,进而确定作用于覆冰导线上的空气动力载荷。数值模拟研究特征段线路安装防舞装置前后的运动过程,结果表明,该防舞装置可大大降低导线的运动幅值,对舞动具有有效的防止作用。     

覆冰六分裂导线舞动风洞试验及起舞风速研究

设计了风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置,针对D形覆冰六分裂导线节段气弹模型分别在3种典型风攻角下进行了5种竖/扭自振频率比的变风速舞动试验,通过单目测试技术记录了导线在均匀风场作用下的三自由度运动响应时程,并与三自由度舞动响应非线性求解计算结果进行了对比验证。分别基于试验实测和舞动非线性计算判定了实际输电线路的起舞风速。试验结果表明:在Den Hartog系数为负值的风攻角下导线以竖向舞动为主,却因Nigol系数正负不同在相同的竖/扭频率比下表现出不同的舞动规律,且当竖/扭频率比大于等于1和小于1时表现出两种相反的舞动特性,即导线竖向运动幅值随风速增大而增大亦或是导线舞动失稳风速仅限于某一区间;在Nigol系数为负值而Den Hartog系数为正值的风攻角下导线以扭转舞动为主且转角幅值随风速增大而增大,当竖/扭频率比大于1时转角幅值较大。     

基于结点6自由度的输电线舞动有限元分析

传统的输电线3自由度舞动分析模型无法考虑扭转与平动的耦合作用及扭转运动的非线性。基于空间曲梁理论的应变—位移关系,建立了具有3个平动自由度和3个转角自由度结点的覆冰输电线舞动分析有限元模型。考虑覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,利用虚功原理建立基于更新Lagrange格式的覆冰导线非线性运动方程。采用 Newmark时间积分和 Newton-Raphson非线性迭代法求解有限元方程。算例分析表明, 利用结点6自由度覆冰导线单元计算输电线的静动力及舞动分析是准确的。对输电线的舞动分析表明,输电线的抗弯截面模量对输电线的平动和扭转有较大的影响。     

宽高比为10的矩形断面气动特性试验研究

采用表面测压方法研究了宽高比为10的矩形断面在不同风速、不同初始攻角、不同扭转振幅条件下的断面不同位置风压系数的均值、标准差、斜度和峰度及相关系数,分析了大幅扭转振动状态下非线性和非高斯自激力分布规律。研究结果表明:风压系数均值和标准差与初始攻角和振幅紧密相关,风速影响基本可以忽略;随着振幅的增大,气流分离增强,气流再附位置向下游移动;断面不同位置风压相关性随着振幅和风速的增大而增强;气动扭矩的高阶谐波成分主要是由于气流分离和再附引起,高阶谐波分量所占比重随着振幅的增大而增大。     

三维瞬态风场下覆冰导线舞动响应研究

为研究三维瞬态风场下输电线路舞动响应特性,以覆冰四分裂导线为例,根据三维随机流场生成方法和脉动风速功率谱,逐点模拟覆冰分裂导线周边的脉动风速场,并运用考虑子导线扭转效应的分裂导线舞动非线性有限元法对新月形和D形覆冰输电线路在均匀流场、一维脉动风速场和三维瞬态风场下进行舞动分析,比较了三类流场下导线舞动响应的异同之处,在此基础上讨论风场湍流成分对舞动的影响机制。研究结果表明:三维瞬态风场的脉动特性使得导线在一个振动周期内吸收的能量不再保持恒定,造成舞动响应始终伴随有一定程度的随机振动,舞动幅值无法最终达到稳定状态;同时,风场瞬态效应能提高覆冰导线舞动最大振幅,特别是D形覆冰下能使其提高一倍以上。三维瞬态风场的脉动特性在输电线路设计过程中应引起足够的关注。     

惯性耦合的三自由度导线舞动稳定性和惯性质量防舞机理EI北大核心CSCD

针对具有离散自振频率的三自由度系统,提出一种修正的矩阵摄动解方法,推导了同时考虑惯性耦合及气动刚度的特征值实部修正解。该修正解表明,考虑惯性耦合后系统稳定性与多项气动力参数相关,稳定性判断较为复杂,但在一些常见条件下可得到简化的实用判断式。以某D形覆冰六分裂导线为例,通过与数值解的对比验证了该修正解的准确性。对该修正解的分析表明,附加质量主要通过重力刚度、惯性耦合的作用改变特征值实部数值,从而影响系统的舞动稳定性,且这两种作用均存在与气动力的耦合。最后,基于该修正解对输电线路常用的双摆防舞器进行分析,结果表明针对给定风攻角的双摆防舞器能够有效抑制舞动,但若风攻角及气动力条件发生变化,则可能失去防舞效果。该修正解提供了一种分析附加质量对舞动稳定性影响机理的方法,对输电线路防舞设计具有指导意义。     

覆冰多分裂导线三种TMD防舞效果对比研究

在风洞试验验证的覆冰导线三自由度运动方程基础上建立了竖向、扭转向和竖扭耦合调谐质量阻尼器和导线系统的运动方程。提出采用扭转向和竖扭耦合的调谐质量阻尼器进行舞动防治,并与竖向调谐质量阻尼器进行对比。根据李雅普诺夫第一稳定定理计算导线-阻尼器系统起舞风速,采用Newmark-β法求解运动方程验证起舞风速的正确性。计算了D形覆冰6分裂导线全攻角舞动幅值,以舞动幅值最大的170°风攻角为目标风攻角,以提高目标风攻角起舞风速为优化目标,对三种调谐质量阻尼器进行参数优化,并对比研究了不同风攻角下三种阻尼器在最优参数下对于导线起舞风速提高的效果。研究表明:竖向调谐质量阻尼器在覆冰侧迎风的5°～20°风攻角下降低了起舞风速;扭转向调谐质量阻尼器使得覆冰侧迎风的0°～40°风攻角的导线起舞风速提高至10 m/s以上;竖扭耦合的调谐质量阻尼器较另外两种形式的调谐质量阻尼器具有更好的提高起舞风速的效果。     

考虑弹性边界条件曲梁模型的覆冰输电线舞动

基于传统索单元理论的覆冰输电线舞动模型不能考虑平动和扭转的耦合作用以及扭转非线性。考虑绝缘子串和相邻跨度的刚度的影响,基于曲梁理论,根据Hamilton原理和Galerkin方法推导了考虑边界条件的三自由度舞动模型。采用Mathematica编制了曲梁理论模型和索理论模型程序分别对覆冰输电线舞动方程进行求解。算例分析表明,考虑边界条件的三自由度舞动曲梁理论模型与实测结果吻合较好,与索理论模型相比更优越。随着边界弹簧刚度的增大,竖向位移和侧向位移幅值随之增大,扭转位移幅值相应减小;发生舞动的下临界风速和上临界风速都在增大,舞动范围变小。弹性边界对副法向和扭转向模态影响较小,对轴向、竖向模态影响显著。     

考虑弹性边界曲梁模型的覆冰输电线舞动分析

采用解析法求解覆冰输电线考虑弹性边界的曲梁舞动模型有助于深入理解舞动发生机理。根据扭转向频率特性将三自由度舞动模型简化成更加适用于解析法求解的两自由度舞动模型,然后利用多尺度法分别推导出了1∶1和2∶1内共振情况下的简化幅值方程。接着考察了自由度缩减方法差异引起的轴向模态函数变化和弹性边界对舞动分岔和稳定、舞动幅值和临界风速的影响。结果显示,轴向模态函数的变化对1∶1内共振情况下分岔和稳定、舞动幅值和临界风速的影响较小,对2∶1内共振情况下相应值影响较大。当考虑截面偏心时,1∶1内共振条件下,弹性边界使发生不稳定舞动的风速范围减小。覆冰导线在弹性边界条件下的位移幅值相应减小,下临界风速增大,上临界风速相应减小,舞动风速范围减小。     

基于增量谐波平衡法的覆冰输电线舞动分析

覆冰输电线的舞动是一种非线性振动。应用增量谐波平衡法推导了覆冰输电线的有限元分析模型及运动平衡方程,并对舞动方程进行了求解。该方程具有非线性平方及立方刚度项、平方及立方粘滞阻尼项。把振动过程分解成为瞬态的持续增量振动过程,迭代求出舞动频率及振幅,求得方程解的表达式。结合实例分析了输电线舞动的极限环现象和谐波项数的取值问题,与时程积分方法分析结果比较表明吻合较好。对风速增量进行了参数分析推导,算例表明不同风速下覆冰输电线舞动频率与振幅是不同的,在某个临界风速处会发生舞动分岔。     

覆冰输电线非线性瞬时固有频率研究

为深入揭示覆冰输电线舞动所引起的非线性瞬时固有频率的变化规律,建立了四分裂覆冰输电线面内振动的非线性动力学偏微分方程,利用Galerkin方法将偏微分方程转换为常微分方程。用平均法分析了平衡点张力及舞动幅值对非线性瞬时固有频率的影响。发现舞动引起平衡点张力的变化改变了输电线的弹性系数,导致系统线性固有频率的改变;舞动幅值对高阶非线性瞬时固有频率有很大的影响;两者的作用导致固有频率的飘移,且飘移量与风速和档距相关。在防舞器动力学设计中应考虑舞动工况对固有频率的影响。     

发动机机体辐射噪声优化方法研究

针对某发动机机体辐射噪声突出的问题,本文在采用多体动力学、有限元法和边界元法的基础上,提出利用Minitab软件中的DOE多目标分析手段对发动机辐射噪声进行优化的方法,以该发动机机体为研究对象,对影响机体辐射噪声的7个因素进行研究,使用较少的组合次数得到机体中对辐射噪声声功率、质量等参数的主要影响因素及各因素之间的交互关系,并根据相关影响情况,选取辐射噪声声功率和质量两个主要参数重新调整各因素的参数值对机体进行优化。结果表明：通过Minitab软件优化后该机体的辐射噪声声功率减小了1.54dB(A),和计算模拟值较吻合,提高了优化效率,且达到目标值要求。为发动机机体辐射噪声的优化提供了崭新的思路。     

相邻档距作用下覆冰导线舞动的复杂运动响应

考虑相邻档距振动时所产生动张力对覆冰导线舞动的影响,综合几何非线性和气动载荷之非线性因素,基于Hamilton原理建立了附带边界条件的面内与轴向耦合的两自由度非线性动力学模型。忽略轴向运动的影响对系统进行简化并借助Galerkin法得到轴向激励下系统的常微分运动方程。通过计算相邻档距运动时产生的动张力确定轴向激励大小的基本范围,进而利用数值模拟考察了轴向激励频率和幅值对系统稳定性的影响。研究发现当轴向激励频率接近该跨导线的固有频率时,系统表现出倍周期、概周期和混沌等丰富的运动模式和动力学现象;并借助与单跨覆冰导线的数值模拟对比,表明相邻档距运动不仅导致该跨舞动幅值明显增大、临界风速下降、增大阻尼失效,且严重影响舞动的稳定性,为工程应用提供一定的理论支撑。     

覆冰导线舞动的动态张力研究

导线舞动严重威胁输电线路安全稳定运行,确定舞动引起的动态张力是研究舞动问题的重要内容之一。首先从能量平衡和导线长度变化的角度,推导动态张力的理论公式。然后建立导线舞动张力变化数值模拟模型。以实际高压输电线路为例,将理论结果与数值计算进行比较,判断理论公式是否有效及其适用范围。分析理论和数值结果,得到舞动幅值、阶数、档距、高差角等参数对动态张力的影响规律。对导线舞动分析有参考价值     

覆冰斜拉索驰振稳定性的理论研究

覆冰斜拉索可能会发生驰振振动并影响到斜拉桥的安全。在进行风洞试验对6种覆冰拉索模型测力的基础上,推导了覆冰拉索1阶模态驰振的运动微分方程,并采用龙格-库塔法进行求解,得到了拉索的驰振响应规律。以海南洋浦大桥为工程背景,研究了中跨最长拉索M18的驰振临界风速,研究了覆冰长度、拉索阻尼比等对驰振临界风速的影响。结果表明,在新月形、扇形和D形覆冰条件下,中跨最长拉索M18的驰振临界风速在10-15m/s范围内,远小于基本风速,存在发生驰振可能性;随着阻尼比的增加、覆冰长度的变短以及拉索长度的变短,驰振临界风速增加。     

覆冰四分裂导线空气动力系数数值模拟

利用Fluent流体动力学分析软件计算典型覆冰四分裂导线在特定风速下的绕流问题,所得各覆冰子导线空气动力系数随风攻角变化曲线与由风洞试验所得规律一致。基于数值模拟和风洞试验所得气动系数确定的Den Hartog系数与Nigol系数随风攻角的变化结果吻合。利用由数值模拟和风洞试验获所得气动参数,采用Abaqus有限元软件模拟典型线路段的舞动,通过舞动特性分析比较发现,利用该两组气动系数模拟得到的导线舞动特性一致,表明采用数值模拟方法确定覆冰导线的空气动力系数可用于模拟覆冰导线舞动。