CN110298101A - 一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，该方法主要包括有限元分析和风场模拟两大部分。首先获取输电线路周边高程数据，建立计算域并进行网格划分，再计算风场数值；然后建立输电线路几何模型和有限元模型，并进行初始找形计算；最后将输电铁塔分成多个塔段，根据各塔段的风场数值，并结合输电塔线的迎风侧投影面积和风荷载模型计算风荷载，对输电塔线加载后进行有限元分析，得到风致响应结果。本发明不仅得到了输电线路的有限元模型和其不同风场条件下风致响应结果，还获得了输电线路周边的地形模型和风场数值。本发明适用于各种地形条件下的输电线路风致响应分析，充分反映当地风场特征情况对输电线路的影响。

Description

一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法

技术领域

本发明涉及一种输电塔风致响应分析方法，特别涉及应用风场模拟耦合有限元分析对输电线路风致响应分析方法。

背景技术

输电线路是关系国计民生的生命线工程，作为输电线路的支撑结构，输电铁塔的安全可靠直接决定着整个输电线路和电网的正常运行。伴随输电线路规模的日益扩大，输电铁塔的倒塌事故也逐渐增多，尤其在大风情况下输电铁塔更容易受到破坏。同时，近些年我国输送电电压等级不断提高，500kV及以上电压等级的输电铁塔的使用量增多，对输电铁塔的安全性也提出了更高要求。

自然灾害是造成我国输电线路倒塔的首要原因，我国东部沿海浙江、福建、江苏、上海等省市台风灾害尤其严重。东部沿海地区是重要的负荷中心，特高压线路众多，在台风灾害期间，常发生大量输电设备同时停运，一旦引发连锁故障造成大面积停电事故后果将不堪设想。

目前已经有大量的输电线路风致响应研究工作中应用了有限元分析方法，但是仅使用有限元方法分析风致响应，对输电线路实际风荷载做了大量的简化，分析结果不够全面也不够准确。实际工程中，大量的输电线路建立在复杂的地形上，实际输电铁塔所受风荷载并不能通过简单的风速剖面或者相关标准中风压高度系数来进行简化处理，需要对当地复杂地形条件下实际风场进行进一步的分析，才能为输电线路有限元分析提供准确可靠的风荷载。

本研究得到浙江省教育厅一般科研项目(No：Y201840482)及国网浙江省电力有限公司科技项目(5211DS17002U)资助。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电塔风致响应分析方法，以解决上述技术问题。本发明方法能够充分考虑输电线路周边地形对输电线路所受风荷载的影响，能够更加精确地对输电线路实际风致响应，能够为各种地形条件下的输电线路抗风能力提供参考。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤1：选择目标输电线路，获取输电线路周边地区的高程数据，逆向拟合得到地形曲面，建立计算域；

步骤2：对建立的计算域进行网格划分，得到风场计算所需的风场非结构化网格；

步骤3：根据风场非结构化网格计算风场数值；

步骤4：根据输电线路实际参数编写输电塔线耦合体系有限元模型APDL命令流；

步骤5：将有限元模型APDL命令流导入ANSYS软件中，得到输电塔线的几何模型和有限元模型，并且在重力荷载作用下进行初始找形计算；

步骤6：将输电铁塔按照不同高度分成不同塔段，根据各塔段所在位置的风场数值，结合输电铁塔和输电导线的迎风侧投影面积和风荷载模型公式计算风荷载，对各塔段和输电导线加载风荷载，之后进行风致响应有限元分析，得到所处地形的输电线路风致响应结果。

进一步地，步骤1中：利用Google earth或者相关高程数据网站提取输电线路周边地形的高程数据，使用逆向工程建模软件对高程数据点云进行逆向拟合得到地形曲面，并且以地形曲面为基础建立整个风场计算域。

进一步地，步骤2中：采用ICEM软件进行网格划分，对计算域设置边界层网格，以描述近地面风场特征，竖直方向边界层网格尺寸大小控制在1m-2m，边界层网格设置15层，以保证风场数值计算结果的精细程度能够满足输电塔线耦合体系有限元计算的需要。

进一步地，步骤3具体为：将风场非结构化网格导入流场分析软件Fluent，设置稳态计算模式；湍流模型采用standard K-epsilon模型，湍流模型参数为默认参数；边界条件设置为：设置地面边界为Wall，其中Roughness height应根据所选输电线路、所处地理条件和地表情况进行设置，顶面设置为Symmetry,根据风向选择侧面一面为风场入口Velocity-inlet，入口Velocity-inlet的对面边界设置为风场出口Outflow，其他边界设置为Symmetry；使用SIMPLE算法进行风场数值计算。

进一步地，步骤4具体为：根据输电塔线的几何参数、构件参数和地理信息，编写输电铁塔、输电导线有限元模型的APDL命令流，其中输电铁塔使用Beam188梁单元，输电导线使用link10杆单元。

进一步地，步骤6中，将输电铁塔在高度方向根据输电铁塔不同结构特征分成多个塔段，以方便确定各塔段结构的风荷载参数，更加准确地计算塔体结构风荷载，将各塔段对应位置的风速转化为风荷载，具体风荷载模型如下：

W_i＝0.5·ρ·μ_s·A_s·v_i ²

上式中W_i为对应塔段i的风荷载，ρ为空气密度，μ_s为对应塔段体型系数，A_s为该输电塔段的迎风侧投影面积，v_i为塔段i的风场计算的来流风速。

进一步地，步骤6中，输电导线的计算风速，采用输电导线挂线点所处塔段的风速，利用如下风荷载模型进行计算输电导线风荷载：

W_c＝0.5·ρ·μ_c·A_c·sin²θ·v_c ²

上式中W_c为输电导线的风荷载，ρ为空气密度，μ_c为输电导线体型系数，A_c为该输电导线迎风侧投影面积，θ为输电导线与风场来流方向的夹角，v_c为输电导线挂线点所在塔段对应风场来流风速。

本发明的有益效果：本发明技术方法与现有技术相比，优点在于该方法使用计算流体力学方法考虑了线路周边地形条件对于线路实际风荷载的影响，风场计算结果能够反映实际周边风场特征，风致响应有限元分析结果更加符合实际。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为利用GoodyGIS软件进行高程数据采集；

图3为使用逆向拟合软件Solidworks软件Scanto3D插件拟合地形曲面；

图4为使用ICEM软件划分非结构化网格；

图5为输电铁塔有限元模型；

图6为输电塔线耦合体系有限元模型；

图7为输电塔塔体结构不同高度塔段划分；

图8为输电塔线耦合体系耦合风场加载；

图9为在标准高度40m/s风速条件下输电塔线变形俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

实施例：

一、首先介绍本发明的方法步骤，具体如下：

步骤1，针对要分析的输电线路，使用GoodyGIS软件捕获输电铁塔所处位置周边地形的高程数据或者从相关地理网站获取数据，并使用Solidworks Scanto3D插件对高程数据点云进行逆向拟合得到地形曲面，使用ANSYS软件包中ICEM软件建立计算域侧面和顶面，进而建立整个计算域。

步骤2，使用步骤1的计算域模型，在ICEM软件中继续进行网格划分，对计算域设置边界层网格，底面高度方向网格尺寸大小控制在1m-2m，以保证风场计算结果精细程度能够满足输电线路有限元计算的需要，进行非结构网格计算得到非结构化网格；

步骤3，在Fluent软件中导入非结构化网格，设置稳态计算模式；湍流模型采用standard K-epsilon模型，模型参数为默认参数；边界条件设置，设置地面边界为Wall，其中Roughness height应根据所选输电线路所处地理条件按照地表地貌情况设置，顶面设置为Symmetry,根据风向选择侧面一面为入口Velocity-inlet，对面边界设置为Outflow，其他边界设置为Symmetry；计算方法使用SIMPLE算法；进行了所有的设置之后进行数值计算。计算完成之后，根据输电线路地理位置在计算域对应位置自定义一条经纬度固定高度方向的竖线，利用竖线提取输电塔各位置的风场计算结果；

步骤4，参考ANSYS APDL命令流编写规则，为根据输电塔线的几何参数、构件参数和地理信息，编写输电铁塔、输电导线有限元模型的APDL命令流，其中输电铁塔使用Beam188梁单元，输电导线使用link10杆单元；

步骤5，将步骤4编写的APDL命令流导入ANSYS软件自带的接口，生成输电塔线几何模型和有限元模型，并且在重力作用下进行输电塔线耦合体系初始形态找形计算；

步骤6，将输电铁塔按照不同高度分成不同塔段，提取的各高度塔段所在位置的风场计算结果结合输电塔和输电线迎风侧投影面积和风荷载模型公式计算风荷载，对各个塔段和输电线加载进行输电线路风致响应有限元分析，得到所处地形的输电线路风致响应结果。

二、以下是一个结合本发明的具体实施案例：

步骤1、建立计算域

本实施例的输电线路挑选温州某输电线路，使用GoodyGIS软件框选输电线路周边区域下载相应地区地形高程数据，如图2所示，或者根据相关国家地理网站获取地形的高程数据，将高程数据导入Solidworks中，利用Solidworks的Scanto3D插件进行逆向拟合处理，将点云逆向拟合成曲面，如图3所示，之后导入到ICEM建立侧边曲面，建立计算域。

步骤2、划分网格

使用步骤1的计算域模型，在ICEM软件继续进行网格划分，对计算域边界层网格，竖直方向网格尺寸大小设置为在2m，边界层网格设置为15层，以保证风场计算结果精细程度能够满足输电线路有限元计算的需要，进行非结构网格计算得到非结构化网格，如图4所示。

步骤3、风场数值模拟

在Fluent软件中导入风场非结构化网格，设置稳态计算模式；湍流模型采用standard K-epsilon模型，模型参数为默认参数；边界条件设置，设置地面边界为Wall，其中Roughness height应根据所选输电线路所处地理条件和地表地貌条件情况设置，本例地表情况为树林参照选择参数为2m。顶面设置为Symmetry,根据风向选择东南一面为入口Velocity-inlet，西北面边界设置为Outflow，其他边界设置为Symmetry；使用SIMPLE算法进行风场数值计算。

步骤4、编写ANSYS APDL输电塔线有限元模型命令流

本输电线路有限元模型命令流以温州某输电路为原型进行编写，根据实际图纸上的输电塔体型尺寸，先编写各输电塔的几何模型的命令流，按照各个输电塔实际图纸上各个构件使用的材料、截面尺寸情况、构件朝向，使用Beam188单元设置输电塔线几何模型中各条线的物理属性，完成输电塔塔有限元模型命令流的编写。使用link10单元模拟导线，结合悬链线公式编写输电塔与输电塔之间的导线初始有限元模型命令流。

步骤5、命令流导入ANSYS建立有限元模型

如图5和图6所示，将步骤4编写的APDL命令流导入ANSYS软件自带的接口，生成输电塔线几何模型和有限元模型，固定两侧的导线末端和输电塔的塔脚，并且重力加载进行初步计算完成塔线体系的初始找形，具体为，通过悬链线公式建立输电导线有限元模型，设置输电导线单元初始应变，然后进行有限元计算，计算结果即初始找形结果。

步骤6、耦合风场结果进行有限元计算

将输电铁塔按照不同高度分成不同塔段如图7所示，将步骤3提取的各高度的风场计算结果结合输电塔和输电线迎风面积和风荷载模型公式计算风荷载，对各个塔段和导线加载如图8所示，进行结构风致响应有限元分析，塔线变形情况如图9所示，计算结果中输电塔构件中最大应力为454MPa。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择目标输电线路，获取输电线路周边地区的高程数据，逆向拟合得到地形曲面，建立计算域；

步骤2：对建立的计算域进行网格划分，得到风场计算所需的风场非结构化网格；

步骤3：根据风场非结构化网格计算风场数值；

步骤4：根据输电线路实际参数编写输电塔线耦合体系有限元模型APDL命令流；

步骤5：将有限元模型APDL命令流导入ANSYS软件中，得到输电塔线的几何模型和有限元模型，并且在重力荷载作用下进行初始找形计算；

步骤6：将输电铁塔按照不同高度分成不同塔段，根据各塔段所在位置的风场数值，结合输电铁塔和输电导线的迎风侧投影面积和风荷载模型公式计算风荷载，对各塔段和输电导线加载风荷载，之后进行风致响应有限元分析，得到所处地形的输电线路风致响应结果。

2.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤1中：利用Google earth或者相关高程数据网站提取输电线路周边地形的高程数据，使用逆向工程建模软件对高程数据点云进行逆向拟合得到地形曲面，并且以地形曲面为基础建立整个风场计算域。

3.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤2中：采用ICEM软件进行网格划分，对计算域设置边界层网格，以描述近地面风场特征，竖直方向边界层网格尺寸大小控制在1m-2m，边界层网格设置15层，以保证风场数值计算结果的精细程度能够满足输电塔线耦合体系有限元计算的需要。

4.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤3具体为：将风场非结构化网格导入流场分析软件Fluent，设置稳态计算模式；湍流模型采用standard K-epsilon模型，湍流模型参数为默认参数；边界条件设置为：设置地面边界为Wall，其中Roughness height应根据所选输电线路、所处地理条件和地表情况进行设置，顶面设置为Symmetry,根据风向选择侧面一面为风场入口Velocity-inlet，入口Velocity-inlet的对面边界设置为风场出口Outflow，其他边界设置为Symmetry；使用SIMPLE算法进行风场数值计算。

5.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤4具体为：根据输电塔线的几何参数、构件参数和地理信息，编写输电铁塔、输电导线有限元模型的APDL命令流，其中输电铁塔使用Beam188梁单元，输电导线使用link10杆单元。

6.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤6中，将输电铁塔在高度方向根据输电铁塔不同结构特征分成多个塔段，以方便确定各塔段结构的风荷载参数，更加准确地计算塔体结构风荷载，将各塔段对应位置的风速转化为风荷载，具体风荷载模型如下：

W_i＝0.5·ρ·μ_s·A_s·v_i ²

上式中W_i为对应塔段i的风荷载，ρ为空气密度，μ_s为对应塔段体型系数，A_s为该输电塔段的迎风侧投影面积，v_i为塔段i的风场计算的来流风速。

7.根据权利要求1所述的一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法，其特征在于，步骤6中输电导线的计算风速，采用输电导线挂线点所处塔段的风速，利用如下风荷载模型进行计算输电导线风荷载：

W_c＝0.5·ρ·μ_c·A_c·sin²θ·v_c ²

上式中W_c为输电导线的风荷载，ρ为空气密度，μ_c为输电导线体型系数，A_c为该输电导线迎风侧投影面积，θ为输电导线与风场来流方向的夹角，v_c为输电导线挂线点所在塔段对应风场来流风速。