文摘

输电线路的重要组件的电力传输。它们通常用于支持相导体和屏蔽导线输电线路。塔故障的准确预测是非常重要的传动系统的可靠性和安全性。目前的研究描述了非线性有限元模型预测输电杆塔的失败。在当前的有限元模拟中,塔的偏心率和联合效应被认为是。当前模型校准与塔之前全面测试结果和数值模型具有良好的精度方面的破坏载荷及失效模式。

1。介绍

常见的传输塔系统是极系统和晶格系统。北极经济系统可以用于相对较短的时间和更低的电压(345千伏或更少)。可能是木材杆、钢管混凝土,或增强塑料杆(它是最高限制应用程序)。另一方面晶格系统可用于电压最高水平。网格塔成员通常由钢或铝角的部分。这两种类型可以自营或牵拉(1,2]。2012年,一位et al。3]讨论了实验研究进行输电线路塔由玻璃钢应用部分。

塔必须设计自己的体重,体重导体和绝缘体、风、冰(八十二输电塔在Munsterland 2005年11月底,德国失败由于雪卷形成导体(4)、振动载荷和安全负载。安全负载发生在塔由于意外事件,如破碎的导体,破碎的绝缘体,或崩溃的相邻结构线由于环境事件如龙卷风。它会导致纵向加载塔(5]。

的主要成员网格塔腿和支撑成员。他们在塔的垂直和剪切载荷,并将其转换到其基础。二次或冗余的支撑成员用于提供中间支持主要成员减少放松长度和增加他们的负荷能力2]。塔成员通常角度或扁钢和他们通常直接连接在一起,消除护翼镀锌螺栓接合。使用镀锌螺栓接合减少摩擦的有效性类型这些螺栓螺栓轴承类型。另外轴承类型螺栓首选摩擦类型,因为他们很容易勃起的高度,他们是经济;塔成员薄,和疲劳效应是控制通过限制长细比的成员和锁紧垫圈的使用,防止螺母松动(6]。

的格子塔目前在世界各地的服务作为一个空间桁架进行了分析。每个成员的网格塔被认为是销钉连接的关节只有轴向载荷和任何时刻(线性理想桁架分析)。然后塔设计进行轴向压缩和拉伸力。全面的输电杆塔测试给挠度比线性弹性理论分析。还发现,近25%的设计负荷和下面的塔测试失败往往意想不到的地方。另外他们的研究结果表明,局部屈曲发生的不平衡引起的弯矩以及轴向压缩变形(7- - - - - -10]。

几个研究开发数值和理论模型来表示传输塔。普拉萨德饶和Kalyanaraman11使用有限元方法]开发了非线性数值分析。他们只代表主塔的腿脚。两种类型的联合模型。在这两个模型中,成员的角度使用flat-shell建模元素。在第一个模型中,关节被假定为刚性使用刚性元素之间的螺栓线(这是由梁单元)和角形心的成员。第二个模型是一个灵活的联合模型。,腿间的接触力传递的角度建模使用元素的差距。联合建模使用的螺栓杆元素。Albermani和Kitipornchai12开发了一种新的分析技术。这个模型代表了几何和材料非线性模拟晶格输电杆塔的最终结构。在他们的模型中所有成员的塔是由梁柱元素。在分析过程中,一个incremental-iterative预估使用解决方案的策略。比较的结果,他们的新技术和实验模型的结果显示,这项技术已被证明预测准确的破坏载荷和失效模式。

更多的研究如Kitipornchai et al。13],骑士和Santhakumar [14),艾哈迈德et al。15],Albermani et al。16]表明,螺栓接合效果(联合滑动)塔上有重大影响的行为或减少其承载力增加变形量在工作负载的情况下,这种影响是不被认为是在线性理想桁架分析。接头滑脱是非常低的相对位移刚度和轴承类型螺栓(见图1)。也发生由于螺栓孔钻在一个超大的方式提供一个安装公差的1.6毫米(1/16)。

当前论文理论研究根据有限元方法(FEM)使用ANSYS软件包[17)来预测输电塔的实际强度和破坏机理。在当前模型,L-section梁有限元素考虑双轴弯曲的组合,轴向拉伸和剪切行为被用来展示塔成员。当前模型考虑几何和材料非线性。此外怪癖塔连接的成员,他们只连接一条腿和联合滑移模型。

2。有限元模拟

在当前的工作中,使用有限元分析软件开发的两个理论模型版本12包。在当前仿真模型开发,塔成员代表他们真正的横截面(L-section)使用Beam188元素。Beam188元素在每个节点有6个自由度;节点的平移和旋转,,方向(17]。这个元素非常适合大型旋转或大应变非线性应用程序。还两个几何和材料非线性被认为是在这个模型。材料非线性是由多重线性运动硬化常数(MKIN)。它假定总应力范围等于屈服应力的两倍,这包括包辛格效应。MKIN可以用于材料服从•冯•米塞斯屈服准则。•冯•米塞斯屈服准则包括大部分金属。应力-应变曲线描述的材料行为从最初的和积极的应力和应变值。的初始斜率曲线是由材料的弹性模量。

在ANSYS [17非线性分析,可以使用两种不同的技术。第一种技术是负载控制技术。在这种技术中,总负载应用到有限元模型。负载分为一系列的负载分析称为增量加载步骤。第二个方法是位移控制技术。在这种技术,应用位移模型和位移分为一系列的增量加载步骤。加载步骤是由用户程序。随着加载步骤的数目增加,结果的准确性增加,这个项目需要很长时间才能完成的解决方案。在完成每一个增量,调整模型的刚度矩阵来反映结构刚度的非线性变化。这种变化发生在继续之前下一个载荷增量。 In the current analysis, load-control technique is used.

ANSYS [17使用牛顿迭代方法更新模型刚度。每个解决方案之前,牛顿迭代法计算不平衡的负载向量。不平衡的负载向量之间的区别是恢复部队(元素对应的负载压力)和应用负载。该计划然后执行一个线性的解决方案,使用不平衡的负载和检查收敛。如果收敛标准不满意,不平衡的负载向量会被重新评估,刚度矩阵更新,新的解决方案。这个迭代过程将继续,直到解是收敛的。收敛性增强和恢复特性,如线搜索和自动加载步进可以帮助激活收敛的问题。如果收敛无法实现,那么程序试图解决一个小的载荷增量。

在当前模型1中,没有考虑联合效应的影响,它被认为是在模型2。联合效应是在模型2的代表Combin39元素。这是一个单向元素非线性广义force-deflection能力,可以用在任何分析。元素在一维纵向或扭转能力,2 d或3 d应用程序。纵向选项是单轴与三自由度方法元素每个节点,节点的翻译,,的方向。扭转选项是一个纯粹的旋转元素在每个节点有三个自由度:节点周围旋转,,相互重合。

在当前模型2,联合滑移是建模为Ungkurapinan et al。18]。他们指出,联合滑移影响的应用负载和直径、螺距、数字(1 - 4螺栓),安排,螺栓的长度和特性。它也是影响工程质量低劣。他们提出了一个实验性的测试轴承螺栓接合,用于格塔(两名成员被直接加入)。在他们的实验程序,加载应用测量和工程质量低劣是多种多样的,包括三个设置即:最大建筑间隙(3.2毫米),正常施工间隙(1.6毫米),和关节轴承(0毫米间隙)。结束距离和边缘螺栓之间的距离是25.4毫米和51毫米,分别。距在51毫米螺栓以固定的方式举行。螺栓直径16毫米。集中他们的标本被放置在测试机(液压试验机),这导致了一代的几把整个螺栓接合相对于外部成员由于偏心加载结束。从他们的研究结果,他们说明负载的理想化的联合效应曲线和关节变形如图2和3和表1和2。

在当前模型2中,每个成员的塔腿由Beam188元素。支撑成员由Beam188元素以及它们的长度和两端节点成员;六个非线性弹簧(Combin39元素)定义(见图4)。非线性弹簧刚度转化,,和转动刚度,,。列在表3联合滑脱效应被认为是通过处方轴向刚度它根据联合类型如表所示1和图2。在重叠拼接的腿,六个非线性弹簧被定义为在表3和轴向弹簧的刚度见表2和图3。

3所示。塔的研究

研究了两种不同的塔在当前研究评估新的有限元模型。

3.1。塔1

这座塔被李和实验和理论上研究了麦克卢尔(19]。的总体视图测试原型如图5。塔的高度是10000毫米。塔由8板方体基座125毫米×125毫米的每个面塔如图6。所有成员都是热轧单角形状。最大的腿大小是89毫米×89毫米×6.4毫米。表4显示了角的大小部分成员使用。

负载应用于塔的横臂端了把它使用拖卡车在两个方向上()。塔受到横向负载方向平行于轴线的对称(−方向),创建一个整体弯曲效应。同时加载应用于垂直于横臂(方向)调查flexural-torsional行为的结构(见图7)。负载大小由称重传感器测量示意图如图所示6。李和麦克卢尔(19)测量的横臂顶端位移由高速摄像机拍摄的图像正确安装下横臂在地上。同时,16个摄像机被安装在塔的每个面,因此图像的相互垂直面板沿四方会记录来识别故障序列的帮助下应变计读数。

李和麦克卢尔(19)开发的三个数值模型模拟行为测试塔。在他们的模型中,塔成员由2-node三维L-section梁有限元素中可用艾迪娜用户子程序。枢接在第一个模型中,他们用于穿使用两个或两个以上的连接和刚性接头连接螺栓和他们在梁两端建模的怪癖。第二个模型是第一个模型一样但偏心不考虑。在第三个模型中,离心率建模为在我但所有连接被认为是刚性的。他们的数值模型考虑几何和材料非线性(使用推覆分析)和完整的牛顿迭代法。在当前的研究中,他们的第一个模型是用于比较当前有限元模拟的结果,因为这个模型给出了最近的实验结果。数据8和9现在塔材料的应力-应变曲线和当前有限元模拟,分别。塔模型假定为固定在刚性基础。

在当前的部分,提出了塔1的结果和讨论。数据10和11说明变形的形状研究塔1在弯曲和flexure-torsional案例,分别从李和麦克卢尔(19实验和数值工作和两个目前的有限元模型。图12介绍了成员失败的实验测试和理论模型。从图12,它可以观察到,在弯曲的情况下,失败是主要集中在底部的腿,而对角的塔下横臂挠曲扭转失败的情况。从图12,它可以观察到,得到对称故障模式在李和麦克卢尔(19数值模型和当前的有限元模拟。另一方面,实验结果显示了非对称故障行为。

图13显示提示一点的梁进行塔1从李和麦克卢尔的实验和数值研究19)的工作和目前的有限元模拟在弯曲的情况下。也算14提出了载荷和位移之间的关系在同一点的flexural-torsion从李和麦克卢尔实验和数值19)的工作和目前的有限元模拟。这些数据显示增加之间的差距李和麦克卢尔(19实验结果,数值结果,当前模型1和模型2的情况下轴承和正常关节滑移。另外从这些数据,可以清楚地看到,考虑联合滑动最大间隙(模型2最大滑移)减少之间的差距实验和当前有限元仿真结果。

实验结果之间的差异和当前有限元模拟基础的运动可以称为观测到李和麦克卢尔(19)在全面测试,该基金会是视为刚性接头的有限元模拟。而且李和麦克卢尔(19]提到,有许多可能的未知缺陷在现实塔结构测试和数值研究和当前有限元模拟没有考虑任何人工缺陷的数值模型。这些未知的缺陷引起的非对称行为真实结构在弯曲的情况下。还有一些动态效应参与实验结果指出,李和麦克卢尔(19]。然而,他们的数字解决方案和当前的模型得到的静态分析。

3.2。塔2

在2007年和2009年在北京中国电力科学研究院,进行了静态原型测试25米110 kV输电杆塔用于调节高度subsidence-prone由于煤炭开采领域。他们的实验结果发表在2011年由江et al。20.]。塔的轮廓几何和加载点数据所示15和16,分别。加载方向图16指纵向(L)、横向(T)和纵向(V),加载情况下应用在表中列出的测试5。图15标识点A, B, C, D, E, F, G,相应的变形量记录实验。钢铁材料属性中指定的当前数值模型设计中使用的名义值:200 GPa的杨氏模量和屈服强度235 MPa的所有成员。

江et al。20.)开发的数值模型,包括联合偏心的影响和不同USFOS联合滑移模型项目。他们代表了个体成员通过梁单元角形状。在他们的模型中,材料非线性被认为是基于塑性铰理论。在这个理论中,塑料铰链可能带入两端和中跨的每个成员。分析表明发病时,产生的一个成员,一个塑料铰链插入到相应的元素节点。如果收益率发生在中跨的元素,会员会自动分成两个新的子元素由塑性铰连接和两个子元素的刚度矩阵组装。在他们的模型中,联合效应是由六泉的联合与刚性平移刚度,,刚性转动刚度,,和轴向刚度根据类型的接头滑脱Ungkurapinan et al。18]。江et al。20.)使用最大试验荷载和达到设计荷载为参考价值的95%相比,数值预测。塔在测试期间没有崩溃,所以最大试验荷载极限载荷。这在目前的有限元模拟负载使用。当前的有限元模拟呈现在图17。

在下面几节中,比较当前有限元模拟的结果和江et al。20.提出了实验和数值结果和讨论。纵向位移塔塔的不同高度和不同比例的应用负载(50%。75%、90%和95%负载)报道,在图18图22。图18代表了侧向位移作为获得江et al。20.)测试,其数值模型不考虑联合效应,和当前的模型1。从这个图中,可以得出结论,目前的模型1给出了类似的侧向位移江et al。20.)数值侧向位移。这个图显示,当负载相对较小(在50%负载)的侧向位移电流模型1同意实验结果。给定的侧向位移的测试点是0.95时间电流模型1位移。然而,随着负载的增加(90%和95%)本协议逐渐丢失。当前的模型1给出了侧向位移点不到这一点的侧向位移实验项目的40%。

另外图19图20.表示比较的侧向位移的实验测试和江et al。(20.数值计算和模型2不同关节间隙:最大,正常和轴承,分别显示当前有限元模拟结果的协议考虑到同江等共同影响。20.数值模型结果。这些数字也说明给出的塔变形的有限元模型,考虑与最大共同滑移施工间隙接近测量位移测试期间,这个结论也出现在图21。

4所示。结论

两种有限元模型是当前研究开发研究电力传输塔静载荷下的非线性行为。塔被2-node三维建模L-section梁的几何和材料非线性有限元素被认为在当前的有限元模拟。模型1不考虑连接的偏心塔成员和联合滑动。在模型2中,两塔连接的偏心的成员和联合滑移模型。有限元模拟结果与以前相比发表全面的实验测试结果和数值解进行两种不同的塔。从目前的研究结论可以概括如下。(1)当前模型2的最大联合滑动显示优秀的协议与实验测试结果两座塔楼的研究。目前的有限元模拟和塔之间的区别1测试结果是由于模型中不考虑在测试期间的运动基础,未知的塔结构的缺陷,实验结果的动态效果。(2)一般来说,塔的连接结构的行为有直接影响晶格钢塔结构的最终行为,但不影响其失效模式和序列。(3)模型2是很有吸引力的预测最终的晶格钢塔结构的行为。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。