有限元ComsolMultiphysics的输电杆塔模态分析

本科毕业设计（论文）基于 Comsol Multiphysics 的输电 杆塔模态分析 I摘 要随着社会的发展，输电线路作为电网的大动脉，其安全稳定的运行关乎着国民经济的稳定。作为支撑输电线的骨骼，输电铁塔的安全可靠运行是电网安全稳定运行的重要保证。但近年来，在各种极端情况下，倒塔断线事故时有发生，严重危害了电网安全。因此，研究输电塔架在各种复杂极端情况下的静动力特性对提高输电线路的安全可靠性有着重要的研究以及工程价值。本文以有限软软件 COMSOL Multiphysics 为研究平台，根据已有的设计资料，研究了输电塔架的有限元模型的建立方法，建立了酒杯型直线塔的有限元分析模型，并提出了塔架在风载荷、覆冰载荷、基础沉降等工况下的研究处理办法。根据设计规程，通过分析计算得出了输电塔架在大风作用下的风载荷，并分段施加在输电塔架以实现风载荷的准确施加。风载荷下，最大的位移出现在塔身。然后研究了输电塔架在覆冰、基础沉降等工况下的静力学特性。最后重点研究了输电塔架的动力特性，对有限元模型进行了模态分析，得到了输电塔架的前 10 阶振型以及相对应的自振频率，通过研究发现在塔腿和塔身部分容易过早的出现局部模态。关键词：输电杆塔；输电塔线体系；静力特性；动力特性IIAbstractWith the development of society, the security an stability of electric transmission line system is important to national economy. As the artery of electric network, electric transmission line is a vital implement. Recently, the happening of the collapsing accidents of tower-line system threatened the security of electric network. Therefore, the study of static and dynamic characteristics of the transmission tower has important value both in theory and engineering to improve the safety and reliability of power system.The finite software COMSOL Multiphysics is used as the analyzing platform in this paper. Based on design information，transmission tower as the glass-shaped tangent tower for analyses is established. In the meantime, the paper advanced the processing methods of different loading cases, such as in wind , ice, foundation settlement.According to the design standards, the subsection wind load of solo tower under maximum wind design are calculated and loaded. The maximum displacement appears in the windward side of tower body.Then the paper studied the mechanical property of transmission tower under extreme cases such as ice, foundation settlement and other working conditions. Moreover, the mode analyses are carried out considering tangent tower, obtaining its former ten self vibration frequency and vibration mode correspondingly. According to the frequency and vibration mode, finding that part of tower leg and body are tend to appear partial mode.Key words: Transmission tower; Transmission line system;Static characteristic; Dynamic characteristic;III目录第一章 绪论 .11.1 选题的意义和目的 .11.2 输电杆塔在国内外的发展与研究 .21.3 论文研究主要内容 .3第二章 输电杆塔体系的建模及分析 .52.1 输电杆塔概况 .52.2 有限元分析软件 Comsol Multiphysics .72.1.1 有限元理论概述 .72.1.2 Comsol Multiphysics 软件的主要功能和分析过程实现 .72.1.3 有限元建模要求 .82.2 输电杆塔体系模型的建立 .92.2.1 仿真模块的选取 .92.2.2 输电杆塔模型的建立 .92.3 本章小结 .10第三章 输电杆塔体系的静力学特性分析 .123.1 风载荷作用下的静力学分析 .123.1.1 风载荷 .123.1.2 输电塔风载荷的计算 .123.1.3 输电单塔在风载荷作用下的静力学分析 .143.1.4 输电线在风载荷作用下的静力学分析 .153.2 覆冰载荷作用下的静力学分析 .153.2.1 覆冰载荷 .163.2.2 输电线覆冰载荷的计算 .163.2.3 输电单塔覆冰载荷计算 .173.2.4 输电塔线在覆冰载荷作用下的静力学分析 .183.3 基础沉降作用下的静力学分析 .193.3.1 基础沉降 .193.3.2 输电单塔基础沉降作用下的静力学分析 .193.3.3 输电塔线在基础沉降作用下的静力学分析 .203.4 本章小结 .21第四章 基于 COMSOL Multiphysics 输电杆塔模态分析 .234.1 输电杆塔模态分析理论 .234.1.1 输电单塔的自振模态分析 .244.2 模态分析在 COMSOL Multiphysics 中的实现 .254.3 输电塔线体系的模态分析 .284.3.1 输电塔塔模态分析 .284.3.2 输电塔线耦合模态分析 .304.4 本章小结 .31结论和展望 .32总结 .32展望 .32参考文献 .33IV致谢 .35第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题的意义和目的随着国家对电力需求的不断提高，电网建设的投入也越来越大。架空输电是传输电力和配送电力的主要方式，具有能源损耗较小、输送功率可调控、输送容量大、输送效益高、环境污染少等优点 1。电力工业的快速发展是传输电力能源的有力保证，直接影响了国民经济，成为国民经济持续发展的重要前提 2。因此，电力系统运行的安全性和可靠性也受到越来越多的重视。随着电力的快速发展，以大城市为中心的电力系统建设成为社会发展的必然条件，作为电力传输的支柱，输电杆塔约占输电线 路总投资的 30% 以上，在当今社会的关注下，输电杆塔的安全可靠性的运行是整个电力系统稳定运行的重要保证 3。输电杆塔倒塌事故的发生，其中有运行、自然灾害和外力破坏因素，又有制造、设计和基建质量因素 4。图 1.1 高压电输电铁塔线路在各类自然灾害中，输电杆塔上的荷载可能有风荷载、温度效应、地震荷载、覆冰荷载、以及基础沉降等极端条件下 5。根据结构的设计场地、环境、功能的不一样，可以采用不同的组合方式。所以在技术的发展和需求的不断提高，杆塔的结构向着更柔、更高和更轻的趋势发展，同时也促使了结构对各种载荷的敏感度增强。在极端条件下风灾、覆冰发生频率高，影响范围广，发生灾害大，是输电杆塔在自然灾害引起事故发生最大的一种，曾给整个输电线路的运行造成影响，造成巨大的生命和财产损失 6。在 2008 年，由于极端恶劣的天气，导致输电塔线覆冰，引起了输电线路倒塔断线事故，造成了很大的经济损失 7。总体来说目前在全国范围内的输电杆塔体系的遭到损坏的情况还是相当严重的。原因第一章 绪论2主要在设计过程中对输电杆塔体系在风载荷、覆冰载荷、塔架自振和塔线耦合等一系列极端条件下的响应特性的了解还很不全面 8-9。所以，对输电杆塔体系进行必要的透彻研究和分析，随着计算机以及软件技术的高速发展，运用于计算机软件技术的模拟仿真法成为杆塔设计过程中最高效的手段。1.2 输电杆塔在国内外的发展与研究在传输系统中，发射塔和铅土壤的设计过程中，它通常是分开设计。电气工程师传输线设计系统，便将导线和接地载荷为结构工程师，结构工程师则负载则作为外部力提供被施加到发射塔，分析和计算 10。这导致了功率传输系统的分析线被分成两个单独的行，并分析处理塔的设计过程中，常常被忽略焊接电缆和塔架之间的动力传递，而只考虑在导向场效应静载荷 11。然而，负载的风或地震负载，造成电线和底线的作用下，系统的振动传输线将是一个张力更大的动态广播发射塔和塔载荷作用在输电塔上，从而导致振动的外观塔和塔振动，势必会引起电缆中不可避免的事情发生位移，以及内部导体和地改变了动态张力和振动的最终形成在一起。出于这个原因，有必要分析复杂的力在传输线的不同的负载条件下，相应的优化措施，以提高检查和，以确保它们的安全性和可靠性。因为在现实的情况是更复杂的传输线，导致真型实验是非常困难的，所以大部分的研究或使用有限元软件以完成传输线。在国外，世界上第一条架空输电线路于 1952 年在瑞典建成，它的电压等级为380kV。目前，架空输电已成为世界各国输电网络的主要模式。随着科学技术的发展和工程水平的提高，输电线路的电压等级在不断提高,世界上输电线路的电压等级已高达1500kV12。A.Y. Shehata 等利用有限元方法对输电塔线体系进行了研究分析，获取了输电塔线体系在大风下的大量动态数据 13。Knight.G.M.S 和 Santhakunar.A.R 等人对输电塔塔腿进行了研究，究发现通过增加次级斜撑可以减少构件产生的应力，得出可以用截面积相对小的角钢，降低塔架的重量的结论 14。H.Yasui 把输电塔杆件简化为梁单元进行了研究，进行了风振响应分析，并且提出了一种较简便的的方法来确定输电塔和导线气动阻尼 15。第一章 绪论3图 1.2 高压电输电塔模型在国内，高红旭使用有限方法和 ansysy 有限元软件对 110KV 的高压输电塔架的静动力学特性进行了研究，建立了有限元输电塔模型并进行了输电塔的模态分析，研究发现在输电塔架上增加横隔面可以提高输电塔架的强度 16。李宏男通过对导地线特性的研究，推导出了导地线的单元刚度方程。宋梦娇在 ansys 中建立了等比例的实体输电塔杆模型，并编程研究计算了输电塔杆自重、覆冰重量和导线重量对输电网络的影响，提出了对已经建成的输电塔线进行加固改造的方法 17。1.3 论文研究主要内容首先介绍了输电塔线的国内外研究现状以及研究目的和意义，然后介绍了输电杆塔体系的基础知识和 COMSOL Multiphysics 有限元软件相关的知识，为接下来输电杆塔体系在多物理场分析软件中的模拟提供了理论依据。本文针对输电杆塔体系的主要研究内容如下：（一）对课题的研究目的与意义进行概括，简单阐述了输电塔线在国内外的研究现状，以及输电塔线在电力系统中的发展与应用。（二）输电杆塔的建模方法。对输电杆塔杆的结构和特点进行了介绍，然后介绍了有限元知识和 COMSOL Multiphysics 软件，最后建立了，建立了输电杆塔的模型，明确模型节点的关系和，完成输电塔线体系的建模。（三）模拟输电杆塔在极端条件下的覆冰、风振等载荷作用下的工作状态。 对各种极端条件下的输电杆塔进行静力分析，研究出输电杆塔模态的分析情况。第一章 绪论4（四）通过利用多物理场 COMSOL Multiphysics 软件对输电杆塔模态进行仿真，了解输电杆塔的力学特性，并利用模态分析的结果，提出合理建议。第一章 绪论5第二章 输电杆塔体系的建模及分析进行输电塔架的内里计算时，工程界普遍假定其组成材料为线弹性材料，将输电铁塔简化为桁架结构模型进行计算。本章主要进行了输电塔架结构的特点和种类的讨论，并且对有限元原理及 COMSOL Multiphysics 软件进行了介绍，建立了输电塔的 2 维模型，为后面的分析做准备。2.1 输电杆塔概况输电线路按结构可分为电缆线路和架空线路。相比电缆线路，架空线路有施工周期短、结构简单、维护及检修方便、建设费用低、散热性能好等优点 18-19。输电线路主要由由输电导线、杆塔、拉线、绝缘子等组成, 其中杆塔是主要组成部分。输电塔是架空送电线路最常用的支撑物，具有牢固可靠和运输方便的优点 20，在各种地形