輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法及倒塌分析.pdf

1、輸電塔結(jié)構(gòu)是輸電塔線路的重要組成部分，一旦發(fā)生倒塌破壞，就會造成供電系統(tǒng)的中斷，給經(jīng)濟(jì)和社會帶來嚴(yán)重的影響。然而，根據(jù)統(tǒng)計，我國每年都會發(fā)生大量的輸電塔倒塌事故。輸電塔結(jié)構(gòu)特點是柔性大，阻尼小，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。為了更有效地對輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計，本文將采用結(jié)構(gòu)多尺度方法對輸電塔結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和性能進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)多尺度方法是近年來結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的熱點和前沿。結(jié)構(gòu)多尺度方法對輸電塔結(jié)構(gòu)局部關(guān)心部件采用實體單元或殼單元建立精細(xì)模型，對其

2、余桿件建立整體尺度的梁模型。因此，結(jié)構(gòu)多尺度方法可以在輸電塔整體模型中考慮局部節(jié)點板和螺栓連接，進(jìn)行多尺度分析可以同時獲得結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)和局部關(guān)心部件的響應(yīng)，包括局部節(jié)點板的應(yīng)力響應(yīng)。為了實現(xiàn)輸電塔結(jié)構(gòu)的多尺度分析和設(shè)計，本文主要進(jìn)行了以下五個方面的研究工作：
　　(1)結(jié)構(gòu)多尺度建模的界面耦合方法研究。界面耦合方法對結(jié)構(gòu)多尺度計算精度有很大的影響。為了保證結(jié)構(gòu)多尺度模型界面耦合處的位移協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡，提出了一種新的基于約束方程的

3、界面耦合方法。根據(jù)界面虛功平衡方程建立了界面耦合的節(jié)點力和位移約束方程關(guān)系。給出了利用界面剛度矩陣建立約束方程的數(shù)值方法，并考慮非線性結(jié)構(gòu)多尺度分析的界面耦合。編寫了多尺度模型界面耦合的子程序，并給出在通用有限元軟件ANSYS和ABAQUS平臺上的實現(xiàn)方法。通過算例將提出的界面耦合方法與現(xiàn)有方法進(jìn)行對比，表明所提出的方法具有更高的計算精度，尤其是對于界面耦合區(qū)域的應(yīng)力計算。
　　(2)輸電塔結(jié)構(gòu)的模型靜力與動力試驗。制作了一座縮尺

4、比例為1:10的輸電塔試驗?zāi)Ｐ汀Ｔ囼災(zāi)Ｐ偷闹谱鳒?zhǔn)確考慮了幾何相似，包括螺栓和連接板均按照相似比進(jìn)行設(shè)計加工。試驗?zāi)Ｐ陀?3種不同截面形式角鋼構(gòu)成，具有930個角鋼、402個連接板以及3649個螺栓。試驗從靜力和動力兩方面進(jìn)行。靜力試驗在輸電塔導(dǎo)線橫擔(dān)中間施加集中荷載，測試輸電塔模型整體和局部部件的響應(yīng)信息，包括整體的位移響應(yīng)和關(guān)心節(jié)點板的應(yīng)變響應(yīng)。動力試驗主要進(jìn)行了錘擊試驗，用于提取輸電塔整體的自振頻率和振型信息。試驗測試數(shù)據(jù)將用于檢驗

5、輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型和模型修正方法。
　　(3)輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度分析方法研究。對于輸電塔的試驗?zāi)Ｐ徒⒘硕喑叨扔邢拊Ｐ?。選取下曲臂和塔身連接節(jié)點建立三維實體精細(xì)模型。節(jié)點精細(xì)模型采用實體單元建模，考慮了螺栓連接的接觸問題。關(guān)心節(jié)點以外的其余桿件采用梁單元建模。多尺度模型界面耦合采用所提出的約束方程方法處理。最后，利用輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了多尺度模型的計算精度。
　

6、　(4)輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型修正方法研究。提出了一種基于Kriging方法的多尺度模型修正方法。建立了多尺度有限元模型修正的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用多尺度模型的整體位移響應(yīng)、局部應(yīng)變響應(yīng)以及動力特性信息，同時修正輸電塔結(jié)構(gòu)的整體和局部有限元模型。采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-II求解優(yōu)化問題實現(xiàn)多尺度模型修正。為了提高模型修正的計算效率，采用Kriging方法建立了代理模型，用來代替模型修正中的結(jié)構(gòu)多尺度分析。通過算例對比分析了Kriging

7、方法和幾種常用代理模型，結(jié)果表明Kriging代理模型對于高度非線性函數(shù)的逼近精度更高。最后，采用縮尺模型試驗獲得的靜力位移、應(yīng)變、頻率以及振型等數(shù)據(jù)，將提出的多尺度模型修正方法用于輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型修正，驗證所提出模型修正方法的有效性。結(jié)果表明建立的多尺度模型修正方法可以有效改進(jìn)多尺度模型對整體和局部響應(yīng)信息的計算精度。
　　(5)下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝顾Y(jié)構(gòu)多尺度分析研究。建立了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝顾Y(jié)構(gòu)多尺度分析方法?？?/p>

8、慮下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的平均風(fēng)和脈動風(fēng)成分，根據(jù)下?lián)舯┝髂Ｐ蜕娠L(fēng)荷載時程。對輸電塔結(jié)構(gòu)建立了梁殼耦合的多尺度模型，對于輸電塔倒塌過程中變形較大的關(guān)鍵部件采用殼單元建模，其余構(gòu)件采用梁單元建模。分別采用輸電塔梁模型和多尺度模型計算下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝膭恿憫?yīng)和倒塌過程，并將計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)多尺度模型計算動力穩(wěn)定性臨界荷載要低于梁模型。對多尺度局部精細(xì)殼模型的變形和等效塑性應(yīng)變進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多尺度分析中考慮了螺栓連接引