输电塔线体系断线冲击分析

输电线路工程是重要的能源传输工程,但由于输电线路大多架设于乡间野外,长年累月受到环境荷载的作用,极有可能发生导线断裂事故。为了探究断线对输电塔线体系的冲击作用,运用ABAQUS有限元软件建立"四塔三线"模型,模拟不同输电线断线工况下的动态过程,开展了断线后输电塔的受力分析。基于定义的冲击系数,分析了断线前后输电塔主材杆件的受力变化情况,明确了输电塔受冲击最严重的位置。通过模拟结果与规范的对比,指出了现有规范的不足。结果表明:断线对输电塔产生的破坏主要为弯曲破坏和扭转破坏,且弯曲破坏更为严重。单根导线断裂时,上部导线断裂所造成的冲击最严重,受冲击最大的部位为断裂导线所连横担与其下方相邻横担之间的一段塔身。随着断线根数增多,扭转破坏所占比例有所增加,各横担之间的塔身为破坏最严重的部位。按规范取值并通过静力方法计算断线对输电塔的影响不能确保结构在断线动力冲击下的安全,有必要采用动力分析对输电塔进行验算。     

不同覆冰状态下输电塔线体系脱冰及断线受力分析

输电线路脱冰及断线对输电塔线体系所造成的影响一直受到人们的关注。利用ANSYS建立四塔三线的输电塔线体系有限元模型,计算不同工况下的输电塔线体系脱冰、断线过程,分析脱冰和断线的受力规律。结果表明:线路中上、下两排导线间距低于两排导线脱冰振动幅度的总和,可导致线路接触闪络;导线脱冰后导线张力振荡减小,并且振荡部分峰值会超过初始状态值;单根导线断线产生的冲击荷载大于两根导线断线产生的冲击荷载。     

导线对输电塔动力特性的影响

随着电力系统的不断升级,输电线路的跨度越来越大,这使得导线所占输电塔-线体系的比重越来越大,导线对输电塔动力特性的影响便越来越不容忽视,这会对输电塔在地震作用下或者风荷载作用下的动力响应造成影响。为了研究导线对输电塔动力特性的影响,基于通用有限元软件ANSYS,建立了输电单塔和塔线体系的空间精细化模型;通过对比两种模型的振型和自振频率,来研究导线的存在对输电塔的动力特性的影响。另外,通过改变塔线体系中导线的水平档距,来研究不同的水平档距下,导线对输电塔动力特性的影响。结果表明,由于导线的存在,输电塔的自振频率会明显降低;且导线的水平档距越大,这种现象会越发明显。     

500kV单回路复合横担塔塔线体系动力响应分析

输电线路的断线及覆冰脱落会引起电线的横向摆动和上下振动,导致电气设备的损坏,并引起整个输电系统的振荡,严重威胁着输电线路的安全性。本文基于500kV单回路三向复合横担直线塔这一设计塔型,通过有限元仿真分析,建立了500kV单回路复合横担直线塔的有限元梁杆模型及3塔4线塔线体系模型。在设定的动力工况下对输电线路的断线及覆冰脱落进行了动力计算,分析整塔及导线响应的变化情况。验证复合材料杆塔结构优化及计算结果的合理性和可靠性,并为后续工程实际应用提供参考。     

输电线在冻雨荷载作用下的动力响应

结合雪灾实际,将输电塔-导线体系简化为柔性支承的单根微斜索计算模型,采用变分法,给出导线弹性和塑性阶段运动方程的计算方法,分析比较了冻雨荷载对输电线动力响应的影响,得出冻雨荷载作用下输电线的动力响应较无冻雨荷载作用时大的结论。     

强风荷载作用下500 kV输电塔线体系动力分析

高压输电线路在强风荷载用下出现倒塔的情况时有发生,静力风荷载的设计方法已表现出一定的局限性。通过利用Davenport风速功率谱模拟形成输电塔不同高度处风荷载时程,并施加相应位置,得出输电塔最大位移时程曲线、输电塔最大应力单元曲线、导线弧垂最低点位移时程曲线和导线最大应力时程曲线;结果表明:动力响应情况下的上述指标均大于静力风荷载下的相应指标。导线轴向拉力时程曲线存在一定的不同步位移情况,增加了输电塔的不平衡受力情况,使得输电塔线体系受力更加复杂。     

输电塔风致响应数值模拟研究进展

输电塔是输电线路中重要的承重设施,其结构安全性直接关系到国家电网和输电线路的正常运行。目前针对输电塔风致响应主要通过现场实测、风洞试验和数值模拟等方法进行研究。随着计算机技术和数值方法的发展,对输电塔风致响应特征进行数值模拟分析开始被广泛应用并取得了大量研究成果。相关的数值模拟研究先通过建立对应的风荷载模型和结构模型,然后以有限元方法分析结构动力响应特征和研究对应的风振控制方法,因此从风荷载模型、结构模型、动力响应特征和风振控制研究等方面总结输电塔风致响应数值模拟研究进展。近地面风场的平均风和脉动风模型是构建结构风荷载的基础。针对平均风主要采用指数型和对数型风速剖面模型,而脉动风则主要根据相关的脉动风谱进行模拟。在不同极端气象条件下,风场表现出不同于良态风的风场特征,对应的平均风和脉动风模型需要进一步根据实际情况研究。构建输电塔风荷载还需要结合相关的结构参数,其中塔体结构整体挡风效应以及塔体构件之间的遮挡效应可通过流场模拟进行分析研究。对输电塔塔体结构建立有限元模型时,通常可将之视为刚架结构和桁梁混合结构,而利用桁架结构进行模拟的误差较大。输电塔所承受的荷载除了风荷载等外部环境荷载外,还应考虑输电线对塔体结构作用带来的影响,因此需建立塔线耦合体系对实际输电线路中塔体结构特征进行模拟。在构建塔线体系有限元模型过程中,可结合悬链线理论和导线水平张力对导线进行建模和找形。基于风荷载模型和结构模型可进行塔体风致响应分析,结构动力特征会对风致响应产生重要的影响,其中导线对塔体的作用使得整体体系的结构动力特征更加复杂。对于不同来流风向条件下输电塔的风荷载,我国相关规范有对应的计算系数和分配系数,而在塔线耦合体系中,风向对塔体结构风致响应的影响更显著。根据是否需要外界能量输入,结构风振控制分为主动控制、被动控制和混合控制。迄今为止,被动控制特别是调谐质量阻尼器仍然是对输电塔风振控制的主要方法,其中阻尼器的自振频率应与塔体自振频率保持一致,风振控制效果才能达到最佳,但是塔线耦合作用使得风振控制的优化更为复杂。此外,还对未来可能的研究方向进行了展望,进一步研究特殊天气风场特征、开发更可靠的有限元建模方法、深入研究塔体扭转向及沿线向响应特征、优化TMD设计参数和布置方案等都应是未来重要的研究方向。     

输电线路覆冰过大对输电铁塔的强度影响

覆冰会导致输电铁塔的荷载增大,影响电网正常运行,严重时还会引起铁塔倒塌。针对由于覆冰过大引起的垂直荷载与横向荷载,分析输电导线覆冰过大情况下对输电导线的安全性影响,对覆冰厚度逐渐增大时输电铁塔的强度影响行进研究,为输电线路设计和安全提供了参考。     

500kV输电塔承载能力分析及优化设计

研究覆冰情况下输电塔的承载力和合理构造,具有重要的工程和社会意义。本文以500 kV酒杯型输电塔为例,建立有限元分析模型,考虑输电塔结构的几何非线性和材料非线性,计算在自重、覆冰和风荷载及正常与断线导线张力作用下,输电塔结构的承载力。通过比较18种荷载组合下输电塔杆件应力和位移,确定出输电塔结构的薄弱部位,并对其进行优化设计,在横担和塔身处添加斜杆和水平支撑,并调整塔颈形状,验算结果表明,优化设计后的塔型,其整体刚度和承载力均有大幅度提高。     

高压大跨越输电塔-线体系动力特性计算分析

高压大跨越输电塔-线体系动力特性的评估是进行结构抗风抗震设计的重要环节。由于高压大跨越输电塔线之间的耦合效应,准确评估输电塔-线体系的动力特性具有相当大的难度。基于多质点模型,建立高压大跨越输电导线、输电塔以及输电塔-线体系的动力特性计算方法。该方法不仅可以计算高压大跨越输电塔线体系在平面和出平面各阶振型频率,同时也可以计算结构扭转向各阶振型频率。最后,通过分析高压大跨越输电塔在挂线和不挂线时的各阶振型频率,讨论高压大跨越输电塔-线耦合振动对输电塔动力特性的影响。分析结果表明:采用多质点模型计算得到的输电导线的各阶振型频率与连续化模型得到的结果相当,这表明该方法的准确性,而且导线对输电塔线体系动力特性的影响不可忽视。     

海上单桩风机结构冰激振动响应分析

针对冰区海上单桩风机易发生冰激振动的问题,以NREL 5MW风机为对象,详细开展其在风 冰联合作用下的动力响应研究。基于叶素动量理论,考虑Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正,利用MATLAB编程计算获得叶片空气动力载荷;基于Määttänen自激振动模型,采用APDL开发冰区风机自激振动分析程序;基于我国渤海某海域冰情参数,从时域和频域对不同风 冰角下的风机结构动力响应特征进行分析,确定冰激锁频振动的冰速区间,并给出风机结构的最大位移响应振幅、基础倾覆力矩以及结构等效应力分布,结果表明：低冰速和高冰速下,风机塔顶与基础环顶的振动特性不同,中冰速时均表现为稳态的简谐振动;在常遇和极端冰厚下,均发生一阶锁频振动,对应的锁频冰速范围分别为0.01～0.06m/s和0.03～0.09m/s;锁频时,风机塔顶动力响应显著,两种冰厚下塔顶最大振幅分别1.425m和1.454m,最大等效应力响应分别为146MPa和183MPa,基础结构面外弯矩响应分别为243MN和358MN。文中研究结论和结果可为相似冰区海域同类风机结构的设计与优化提供技术参考。     

Comparison of wind‐induced dynamic property of super‐large cooling tower considering different four‐tower interferences

Dynamic amplification effects caused by tower‐group interference is the most critical causes of wind‐induced destructions of super‐large cooling tower (SLCT), and four‐tower combinations are the most common tower‐group combining form. However, the dynamic amplification effects of SLCT of different four‐tower arrangements have not been studied systematically so far. The highest (220 m) SLCT in the world was taken as the target to conduct SLCT wind pressure measurement under 320 wind tunnel test conditions. Firstly, the stability performance under the design wind loads was analyzed. Then, the dynamic time‐history analysis was carried out, and the distribution characteristics of peak factors and values of extreme response were discussed. Furthermore, with a new concept parameter “tower‐group wind vibration coefficient” for the wind‐resistance design of SLCT, the distribution laws of two‐dimensional (2D), one‐dimensional (1D), and global tower‐group wind vibration coefficient were revealed under different four‐tower interferences. On these bases, we recommend the design parameters for wind‐resistance study of SLCT and the priority of four‐tower combination forms. The study showed that the dynamic effects of SLCT under different four‐tower arrangements were significantly different from each other and the tower‐group wind vibration coefficients proposed in this paper can reflect the interference effects of tower‐group more efficient than traditional design method. The results may become a useful database for the wind‐resistance design of SLCT and provide clues for the optimization of four‐tower arrangements in power plants.     

QTZ630塔式起重机的有限元动力学分析

以QTZ630塔式起重机为研究对象,利用ANSYS有限元软件建立有限元模型,重点讨论了在自重载荷、风载荷等静载荷影响下,受起吊及卸载工况冲击载荷作用时塔机整体结构的变形、应力随时间的响应情况。对于研究塔式起重机的动态特性及避免材料破坏而造成事故具有实际意义。     

斜拉桥平行钢丝索锈蚀断裂模拟

为模拟拉索各钢丝间的摩擦接触,放弃会带来极大计算量和高度非线性问题的常规接触单元而采用理想弹塑性弹簧单元,并推导了弹簧屈服力的计算公式。建立127丝平行钢丝束有限元模型,拉索钢丝间的摩擦接触采用理想弹塑性弹簧单元模拟,采用单元生死功能模拟钢丝断裂。计算分析结果表明:当拉索出现锈蚀断丝后,断裂钢丝并不会完全退出工作,经过一段发展长度后能恢复到正常应力水平。钢丝断裂后,各钢丝间会出现应力重分布,断裂截面断裂位置周围的钢丝应力增大,远离断丝侧钢丝应力减小,拉索合力作用点偏移拉索截面中心,故荷载恢复完成后拉索截面各钢丝平均应力并不均匀,恢复后拉索截面应力分布规律与断丝截面相反。随着断丝百分比的增加,断裂钢丝荷载恢复长度逐渐增大,相应的索力损失率增大。     

张拉整体塔的结构特性及风振研究

本文在已有研究的基础上,以一座实用型张拉整体电视塔为例,对张拉整体塔的某些结构特性、抗风性能及施工进行了探索和研究。首先介绍了张拉整体塔的结构特性,主要包括:张拉整体塔的迎风面积、不同预拉力下的刚度、不同方向上的刚度及其自振特性与预拉力的关系。基于随机振动理论,运用谐波叠加法模拟了作用在结构上的脉动风,进而计算得到了张拉整体塔的风振响应,并进行了深入的谱分析,按照规范进行了抗风验算。然后比较分析了静力计算和动力计算的结果。     

基于能量法的下击暴流作用下输电塔线体系失效 倒塌研究

对下击暴流作用下的输电塔线体系进行了基于能量法的失效倒塌分析。采用ABAQUS软件建立了 “一塔两线” 的输电塔体系有限元模型; 基于改进的OBV模型的时变平均风速模拟方法,推导并得到了输电塔及导线各节点的下击暴流风速时程曲线; 采用基于特征能量的动力稳定性判别方法对塔线体系在3个不同风速的下击暴流动力工况时的响应进行分析,确定了下击暴流作用下输电塔失效的时刻,探讨了大跨越输电塔线体系的失效倒塌机制。结果表明:采用能量法对结构体系进行分析时,最后一次特征能量超过输入能量的时刻即为结构的失效时刻; 基于能量法对下击暴流作用下的输电塔线体系进行分析,可以快速准确地判断输电塔线体系整体失稳倒塌的时刻,具有较强的工程实用价值; 在倒塌时刻,主材失稳引发的薄弱区域杆件部分失效会导致输电塔的整体失稳,最终使结构失效倒塌。     

高耸异型铁塔风荷载作用下结构的分析计算

结合实际工程介绍了一异型高耸铁塔的风载计算过程。主要对其进行了静力与动态振型分析,并分别运用规范和有限元对其进行了模态分析比较。     

某羊角型输电塔的风振响应分析

本文首先简述了应用线性滤波法中的自回归模型(AR模型)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱的一致性,再通过规范公式推导脉动风载与风速之间的关系,从而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本。本文以某羊角形输电塔为原型进行了模拟计算分析,用有限元分析软件ANSYS建立了有限元模型,并用MATLAB生成塔架迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用ANSYS对结构进行了模态分析,结果显示结构的基本模态为平面振动,但是同时具有扭转模态和局部振动模态;对此输电塔结构进行了平均风作用下的静力分析,同时,基于ANSYS时程分析方法计算了结构在一般风荷载作用下的风振响应。结果表明,在考虑一般风荷载作用的情况下,输电塔在顶部出现最大的位移和加速度响应,而在底部出现最大的轴力响应,但由于本文输电塔结构杆件的变截面设计,最大的应力出现在约1/3高处的杆件上。相对于平均风的作用,结构响应在一般风荷载下呈现出明显的动力放大效应。     

Wind field simulation and wind‐induced responses of large wind turbine tower‐blade coupled structure

Herein, by a case study on a 5‐MW wind turbine system developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, the wind field simulation and wind‐induced vibration characteristics of wind turbine tower‐blade coupled systems is analyzed. First, the blade‐nacelle‐tower‐basis integrated finite element model with centrifugal forces induced by rotational blades is established. Then, based on a harmony superposition method and the modified blade element‐momentum theory, the fluctuating wind field of tower‐blade coupled systems is simulated, which considers wind shear effect, tower shadow effect, rotational effect, blade‐tower dynamic and model interaction effects. Finally, the wind‐induced dynamic responses and wind vibration coefficients of the wind turbine tower‐blade coupled structure are discussed through the ‘consistent coupled method’ previously proposed by us. The results indicate that the wind‐induced responses of a large wind turbine tower‐blade coupled structure present complicated modal responses and multimode coupling effect. Additionally, the rotational effect would amplify aerodynamic loads on blades with high frequency, wind‐induced dynamic responses and wind vibration coefficients of wind turbine tower. The centrifugal force effect could also amplify natural vibration frequency of the tower‐blade coupled system and reduce the wind‐induced dynamic responses and wind vibration coefficients of wind turbine tower. The research could contribute to wind‐resistant design of structure for a large‐scale wind turbine tower‐blade system. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

铝合金导线机械破坏残缺部位发热规律研究

为量化铝合金导线局部残缺与电阻发热的关系,探究电阻发热对导线引燃能力的影响,模拟AA8176 型铝合金导线受到机械破坏造成的导线局部不同程度受损的情况,分别通入过电流,观察导线发烟发热现象,研究铝合金导线机械破坏残缺部位发热规律。研究发现：通入1.5 倍和2 倍过电流时,铝合金导线残缺位置温度与其线径和横截面积均呈负相关,可拟合出一次函数方程;铝合金导线残缺部位发烟和绝缘热解炭化平均时间短于原始导线和上层绝缘破坏导线,其火灾危险性增大。