基于LS-DYNA的架空輸電線找形程序

劉銳鵬，張耿斌，顏天佑

(1.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣州 510610；2.廣州供電局有限公司輸電管理所，廣州 510620)

基于LS-DYNA的架空輸電線找形程序

劉銳鵬1，張耿斌2，顏天佑1

(1.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣州 510610；2.廣州供電局有限公司輸電管理所，廣州 510620)

基于懸索結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形分析的原理和方法，應(yīng)用于架空輸電線的初始找形研究，以Visual Basic 6.0為平臺(tái)，介紹了不等高懸點(diǎn)、連續(xù)檔架空輸電線的找形程序，生成適用于LS-DYNA分析的APDL文件，提高了架空輸電線LS-DYNA找形工作的效率。

架空輸電線；找形；LS-DYNA；APDL

0 前言

LS-DYNA有限元軟件是目前結(jié)構(gòu)分析中使用最為廣泛的通用程序之一，其顯示算法特別適合于分析各種非線性結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問題，如爆炸、結(jié)構(gòu)碰撞、金屬加工成形、架空輸電線覆冰斷線等高度非線性的問題，同時(shí)還可以求解傳熱、流體以及流固耦合問題。因此研究架空輸電線找形在LS-DYNA上的實(shí)現(xiàn)具有一定的意義。由于LS-DYNA的全英文界面和相對較弱的前處理功能，在建模上需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力?；诖耍恼吕肰isual Basic 6.0開發(fā)出架空輸電線找形程序，將生成的APDL文件導(dǎo)入LS-DYNA，便可實(shí)現(xiàn)對連續(xù)檔、不等高懸點(diǎn)的架空輸電線精確找形。下面以某大跨越線路為例，驗(yàn)證了找形程序的可靠性和實(shí)用性。

1 輸電線找形非線性有限元法

1.1 位移函數(shù)[1]

采用Lagrangian方法，建立曲線坐標(biāo)Oξ，令s為單元變形前任意點(diǎn)到中點(diǎn)的弧長，則ξ= 2s/l，l為單元變形前長度，即原長。架空輸電線單元模型如圖1所示。

圖1 架空輸電線單元模型

設(shè)位移

式中：

Ni(i=1，2，3)為形函數(shù)，由節(jié)點(diǎn)的位移連續(xù)條件求得：

同時(shí)得到坐標(biāo)的變換式：

式中，X= [x y z ]T；Xe=

式 (2)便決定了單元的初始形狀。

1.2 非線性有限元法的基本原理

基本原理是在架空輸電線弦線位置創(chuàng)建幾何模型，采用適當(dāng)?shù)某鯌?yīng)變和較小的彈性模量，施加自重荷載，逐步更新有限元模型，設(shè)定大變形以及應(yīng)力剛化，以架空輸電線水平應(yīng)力為收斂條件，當(dāng)結(jié)果滿足收斂條件時(shí)退出循環(huán)迭代求解。在此線形下，恢復(fù)材料的真實(shí)彈性模量，設(shè)定較小的初應(yīng)變，進(jìn)行自平衡迭代求解，即求得架空輸電線在自重荷載下的初始形態(tài)[2]。

2 找形程序開發(fā)

利用Visual Basic 6.0開發(fā)的架空輸電線找形程序，輸入幾何、材料、有限元、覆冰等基本參數(shù)，該程序便能自動(dòng)生成適用于LS-DYNA分析的APDL命令流，實(shí)現(xiàn)架空輸電線找形的參數(shù)化建模。

架空輸電線找形程序流程圖如圖2所示，PRC為計(jì)算所需精度，MAX=ABS((F0-F1)/ F)，其中F0為輸電線弧垂最低點(diǎn)處水平張力，F(xiàn)1為LS-DYNA迭代分析所得輸電線弧垂最低點(diǎn)處水平張力，ABS()為 Visual Basic 6.0中的函數(shù)。

3 算例分析

算例：某大跨越的主跨檔距1 650 m，跨越塔采用酒杯型塔，塔高181.8 m，兩塔高差0.5 m，架空輸電線特征參數(shù)見表1。覆冰密度 0.8 g/cm3[3]。

圖2 架空輸電線找形程序流程圖

表1 架空輸電線材料特性

均勻覆冰厚度取15 mm，不均勻覆冰時(shí)將整檔架空輸電線按覆冰厚度分為5個(gè)區(qū)段，每區(qū)段水平投影長度330 m，假設(shè)同一區(qū)段內(nèi)輸電線覆冰情況相同[4]。不均勻覆冰分布工況見表2。

表2 不均勻覆冰分布工況

覆冰荷載下架空輸電線的找形結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6所示 (圖中虛線為架空輸電線自重荷載下初始構(gòu)形，實(shí)線為覆冰后形變)。

圖3 均勻覆冰下架空輸電線形變

圖4 不均勻覆冰工況A下 架空輸電線形變

圖5 不均勻覆冰工況B下 架空輸電線形變

圖6 不均勻覆冰工況C下架空輸電線形變

4 結(jié)束語

1)提取均勻覆冰下架空輸電線檔距中央弧垂為116.065 m，均勻覆冰下解析法得到的弧垂理論值為115.885 m。二者找形結(jié)果差別不大，在0.2%以內(nèi)，說明文中提出的找形程序是可靠的。

2)對于不均勻覆冰情況，只需要改變覆冰厚度參數(shù)，找形程序即可生成相應(yīng)的APDL文件，有利于模型參數(shù)的反復(fù)修改，極大地提高了架空輸電線LS-DYNA建模、找形工作的效率。

[1] 唐建民，何署廷，段春平.懸索結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(6)：45-46.

[2] LS-DYNA工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析 [M].北京：人民交通出版社，2007：467-471.

[3] 李慶峰，范崢，吳穹，等.全國輸電線路覆冰情況調(diào)研及事故分析 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(9)：33-34.

[4] 孟遂民，單魯平.輸電線動(dòng)力學(xué)分析中的找形研究 [J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(10)：43-44.

Form-finding Program Development for Overhead Transmission Line Based on LS-DYNA

LIU Ruipeng1，ZHANG Gengbin2，YAN Tianyou1
(1.Guangzhou Electric Power Design Institute，Guangzhou 510610；2.Power Transmission Management Office of Guangzhou Power Supply Bureau Corporation，Guangzhou，510620)

Based on the principles and methods of form-finding for cable structures are used in the initial form-finding of overhead transmission line.With the Visual Basic 6.0 as a platform，form-finding program for overhead transmission line was developed，which can complete form-finding for overhead transmission line of differ-height hang point and continuous spans.The APDL applied to LS-DYNA is automatically generated and improve the form-finding for overhead transmission line based on LS-DYNA efficiently.

overhead transmission line；form-finding；LS-DYNA；APDL

TM75

B

1006-7345(2014)05-0050-03

2013-10-17

劉銳鵬 (1982)，男，碩士，工程師，廣州供電局有限公司設(shè)計(jì)院，主要從事輸電線路設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)方面工作 (e-mail) 30052535＠qq.com。