覆冰导线舞动的非线性数值仿真研究

导线的覆冰舞动严重威胁特高压输电线路的安全运行。本文利用能考虑扭转自由度的的两节点索单元,并结合分裂导     

覆冰输电导线舞动的仿真分析

基于考虑输电导线垂向和扭转振动耦合的两自由度模型,利用多尺度法和数值分析方法,分别就系统参数和环境参数对临界风速和舞动振幅的影响进行了理论和仿真分析,并讨论了扭转振动分岔导致的可能复杂运动。利用零解的稳定性条件,得到了覆冰厚度、初始覆冰角度、来流密度、导线的初始张力和单位长度质量以及横向阻尼比对临界风速的影响曲线。基于解析和数值仿真的结果,分别给出了风速、覆冰厚度、来流密度、导线的初始张力和单位长度质量以及横向阻尼比对舞动振幅的影响曲线。对扭转振动分岔的研究表明,风速变化时,(零解失稳导致的)周期运动的分岔可导致倍周期运动和概周期运动等复杂运动形式。     

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     

基于强几何非线性因素的覆冰导线舞动问题研究

分析了覆冰导线前三阶模态中在不同水平张力下各非线性刚度项系数与线性刚度项系数的比,通过讨论水平张力,线性恢复力、非线性恢复力与振动幅值之间的关系,确定了影响覆冰导线系统几何非线性强弱的主要因素。在此基础上,应用待定固有频率法计算了系统的稳态幅值和振动频率。数值模拟表明：各模态幅值均随风速增大而增大,且当受到强几何非线性因素的影响时,各阶模态的振动频率将远离初始频率,此时传统规范形理论的分析结果难以满足模型分析的精度要求,而本文研究结果则可以对模型的振动特性有比较准确地把握。     

覆冰导线舞动数值解及影响因素分析

针对覆冰导线大幅度舞动问题,考虑其几何非线性,采用抛物线形函数三节点等参单元建立了导线有限元模型,将绝缘子及相邻跨导线的刚度贡献等效为弹簧单元,同时考虑了来流风载中的脉动成份,运用谐波叠加法对其进行模拟。采用Newmark-β时间积分方法及时间步内Newton-Raphson迭代来求解舞动非线性动力方程,得到了较为精确的覆冰导线舞动时域解,分析了风速、张拉力、湍流以及不同边界条件假定对舞动的影响。     

覆冰输电导线舞动及防舞效果分析

根据拉格朗日运动方程推导了两端固定的安装了压重或失谐摆这两种防舞器的覆冰输电导线舞动的非线性微分方程组;提出了临界风速的计算方法;采用龙格—库塔方法在时域中直接求解舞动非线性微分方程组得到舞动振幅的时间历程。以某试验导线作为算例,研究结果表明:当输电导线的扭转频率与横风向频率接近时扭转舞动可以激发横风向舞动;当风速位于某一范围之内时导线舞动的振幅比较大;导线舞动振幅随导线垂度显著变化,并存在一个最不利垂度或最不利张力使导线舞动振幅达到最大;压重防舞可以减小但不能消除导线的舞动,而失谐摆防舞器可以完全消除导线的舞动。     

覆冰四分裂导线舞动近似解析解分析

建立了带有刚性间隔棒的覆冰四分裂导线垂直、水平和扭转三自由度的耦合模型,并对由强非线性系统转化为弱非线性系统的方法进行了研究,运用平均法分析了非内共振、3∶1内共振和1∶1内共振时系统的振动情况,得到了风速、横向阻尼比、来流密度、线路档距等相关参数对导线舞动的影响及在不同参数影响情况下导线舞动的响应曲线,其近似解析解与数值解基本吻合。     

新月形覆冰八分裂导线舞动特征研究

通过风洞试验测量得到典型新月形覆冰八分裂导线各子导线的空气动力系数随风攻角的变化曲线。由于尾流干扰的作用,各覆冰子导线的气动特性存在明显差异。基于得到的覆冰导线的气动参数,利用ABAQUS有限元软件,模拟典型覆冰八分裂线路的舞动过程,分析得到不同档距线路在不同风速、初始风攻角以及导线初始张力等条件下的运动轨迹、振动频率、模式和幅值等舞动特征。所得结果对覆冰八分裂导线舞动特征的认识以及舞动防治技术的开发具有重要的价值。     

覆冰四分裂导线舞动数值模拟研究

用Hamilton变分原理建立动力学平衡方程,利用罚函数法引入各子导线上间隔棒连接点之间的运动约束条件,获得覆冰四分裂导线动力方程。方程采用Newmark法进行时间积分,Newton-Raphson迭代法求解。通过数值算例验证方法的正确性。利用由风洞试验获得的覆冰四分裂导线空气动力系数,通过数值模拟获得初始攻角、风速和档距等对覆冰四分裂导线舞动的影响规律。结果表明,考虑作用于各子导线上空气动力载荷的不同对舞动幅值有明显影响;初始攻角的大小是诱发舞动的关键因素;舞动幅值随风速和档距的增大而增大。     

覆冰四分裂导线舞动数值模拟及参数分析

由于导线尾流相互干扰作用,覆冰分裂导线各子导线的空气动力特性存在差异。通过风洞试验获得典型新月形覆冰四分裂导线各子导线的空气动力系数随攻角变化曲线,为覆冰导线舞动数值模拟提供参数。利用ABAQU S有限元软件,通过梁单元自由度释放得到模拟覆冰导线的索单元,用用户自定义单元实现空气动力载荷的施加。对典型线路段舞动的数值模拟结果表明,考虑由于覆冰导线尾流效应引起的各子导线空气动力特性的不同后,导线舞动幅值明显增大。对覆冰四分裂导线的舞动进行参数研究,获得风速、覆冰厚度和线路档距等参数对导线舞动的影响规律,为覆冰四分裂导线舞动防止技术的研究奠定理论基础。     

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。     

架空线路无覆冰导线舞动的参数共振机理

为了解释架空线路导线舞动现象的成因,通过将风载荷等效为轴向周期位移激励的方法,对架空线路单导线舞动进行了研究,认为无覆冰单导线的舞动就是参数共振。引起导线舞动的主要因素是线路系统自身参数的周期性变化,当轴向位移激励频率和导线系统频率满足一定关系时,导线系统将发生大幅度横向参数共振即舞动。模拟运行线路舞动试验验证了用参数共振理论能够解释无覆冰架空单导线系统的起舞现象。     

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。     

随机风场中覆冰四分裂导线舞动数值模拟

摘 要: 采用数值方法研究覆冰四分裂输电导线在随机风场中的舞动问题。考虑风速随高度的变化和空间相关性,数值模拟得到随机风场,并利用典型覆冰四分裂导线空气动力系数随攻角的变化,确定作用于覆冰导线上的空气动力载荷,模拟研究不同档距覆冰四分裂导线的舞动。结果表明,随机风场中小档距导线的舞动模式与稳定风情况一致,而大档距时则不同,可能出现更高阶的舞动模式。因此,在研究大档距覆冰导线舞动时,考虑风场随机性是必要的。     

输电塔线体系中覆冰导线舞动数值模拟研究

利用ABAQUS有限元分析软件,建立输电线塔线耦合体系非线性有限元模型,对覆冰四分裂导线舞动进行数值模拟,获得塔线体系中各相导线舞动轨迹、振动幅值、频率特性等。经分析比较发现,杆塔变形对导线舞动轨迹与幅值影响明显,而对舞动响应频率特性影响较小。导线舞动过程中导线与杆塔应力响应表明,其最大应力均小于材料强度极限,因此导线舞动造成的导线断裂及杆塔破坏应以疲劳破坏为主。     

连续档覆冰八分裂导线舞动特征数值模拟研究

利用非线性有限元方法建立多档覆冰八分裂导线的数值模型,模拟研究线路在不同参数下的舞动。基于导线动力特性和舞动特征,分析连续档线路在不同风速、档距、档数下的舞动模式、频率特性、振动幅值和轨迹,并与孤立档线路的舞动特性进行比较。结果表明,连续档线路各档的舞动特征有明显差异,且连续档线路与孤立档线路之间也存在较大差别,故在研究导线舞动防治技术时应把这些差异考虑在内。     

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。     

重冰区覆冰导线脱冰跳跃荷载分析

通过建立重冰区特高压线路连续7档导线-绝缘子脱冰跳跃分析模型,考虑阻尼、脱冰模式和覆冰厚度等因素影响,计算脱冰工况下导线跳跃高度、张力、挂点不平衡张力及垂直荷载等动力响应,研究不同因素对悬垂型杆塔动力响应的影响规律,确定重冰区特高压线路悬垂型杆塔不平衡张力及垂直荷载取值。阻尼比5%、单档100%脱冰时,脱冰跳跃产生的不平衡张力百分数均小于重冰区设计规定值,垂直荷载动力放大系数在1.28～1.40之间。20 mm、30 mm冰区导线上拔力占最大使用张力百分数取10%,40 mm、50 mm冰区取5%。     

覆冰导线舞动作用下输电塔破坏机理的试验研究

以某型号转角耐张塔为研究对象,基于模型相似理论,设计制作了覆冰导线模型和弹性边界条件下的大比例输电塔节段模型,并根据覆冰导线舞动特征,研制了用于模拟导线舞动的动力加载装置。同时,结合实际线路舞动时的特征参数,于试验室条件下进行了覆冰塔线体系舞动事故的反演,并根据试验测得的构件动应力幅值,计算了输电塔构件在导线舞动作用下的疲劳寿命。研究结果表明：该输电塔在导线舞动作用下的失效并非由构件承载力不足和疲劳损伤而造成的,其原因在于构件连接螺栓在导线舞动产生的大幅动张力作用下发生松动,使部分构件的内力重分配,导致某些杆件受力过大而发生破坏,从而引发了输电塔的失稳甚至倒塌。     

三自由度体系覆冰导线舞动激发机理分析的矩阵摄动法

应用矩阵摄动法推导了三自由度体系覆冰输电导线离散自振频率下特征值实部一阶摄动解,在此基础上分析了舞动机理。相较于Den Hartog和Nigol机理所得到特征值实部单自由度解,一阶摄动解将分别多出一或二个附加项。由特征值实部摄动解结合模态振型可划分三种舞动激发类型。通过简化分析表明,当附加项主要对竖向起作用时,可将气动力类型分成六类用以分析附加项作用。以JD型六分裂覆冰导线为例,对Den Hartog系数均为负值的两类不同气动力类型下舞动激发特性进行了分析。结果表明,摄动解能较好反应实部真实变化。对于一、二类气动力,当附加项足够大时,舞动激发特性将表现出与按照Den Hartog机理所得完全不同的结果;与此同时亦将由于扭转气动力导数正负号的不同而产生巨大差异。