发布时间 : 星期一 文章有限元Comsol Multiphysics的输电杆塔模态分析更新完毕开始阅读9b8111515e0e7cd184254b35eefdc8d376ee1487
第一章 绪论
(1) 有限元模型的结构形状变化，具体包括模型的长度、宽度、截面大小、厚度等。 (2) 有限元模型的材料特性，主要为材料的杨氏模量、弹性模量、泊松比、密度、膨胀系数等。
(3)问题求解精度，施加载荷时要准确地反映模型受力情况和应力分布，需要将模型进行单元分析。
2.2 输电杆塔体系模型的建立
2.2.1 仿真模块的选取
Comsol Multiphysics软件可以对多种物理场进行仿真,主要包括以下模块: 结构力学模块(Structural Mechanics Module)、AC/DC模块(AC/DC Module)、 声学模块(Acoustics Module)、化学工程模块(Chemical Engineering Module)、地球科学模块（Earth Science Module）、热传导模块(Heat Transfer Module)、、 微机电系统模块(MEMS Module)、射频模块（RF Module）等模块。
本次毕业设计中选择了结构力学模块(Structural Mechanics Module), 结构力学仿真有着非常广泛的应用—从微尺度的MEMS器件到地球科学尺度的土木工程。这类仿真也常用于研究现有结构（从微观生物结构到地质冰川）的行为。
结构力学是首个将有限元作为标准工具的工程领域。一直以来，这种精确和有效的方法被开发应用于越来越广泛的领域。例如，有限元仿真广泛地应用于航空航天和原子能工业的安全临界应用。
由于本次毕业设计需要仿真输电塔及其线路模型，所以选择了结构力学模块中的分支模块桁架接口。桁架接口用于对只承受轴向力的细长结构建模。桁架利用的是拉格朗日形函数，既支持小变形理论，又支持基于Green-Lagrange形变理论的大变形问题。桁架的例子如直边桁架和重力作用的线缆(下垂线)，还包括阻尼、热膨胀、预应力和预应变等更多特征。缺省材料模型是线弹性、结合非线性结构材料模块，也可对塑性建模。
2.2.2 输电杆塔模型的建立
建立输电塔架有限元模型的方法有三种:梁架模型、桁架模型和梁桁混合模型。本次建立模型时选择了桁架模型。桁架模型的杆件由杆单元组成的，设置输电塔架杆件的连接节点为理想铰接点，输电塔架的实际刚度大于输电塔架有限元模型的整体刚度。本次毕业设计中使用杆单元来构造输电塔架的桁架模型，利用CAD软件准确的建立出了输电塔架上各个杆件。输电塔架在Comsol Multiphysics软件中坐标系为，塔腿中心为坐标原点，向右为 X 轴正方向，向上为 y轴正方向，输电塔有限元模型坐标系的方位见图 2.5。
8
第一章 绪论
图 2.4 直线塔模型
如图 2.4 所示的模型为为本次设计所研究分析的ZB1 酒杯型直线塔架有限元模型，其输电电压等级为110kV。本次建立的模型共有节点数150个，关键点数 77 个，杆单元数290个，桁架单元的方向选取软件默认方向，这样可以方便分析和计算。为了方便后文分析，将此输电塔架分为8段，此输电塔的分段情况见图 2.5。
图 2.5 直线塔模型
2.3 本章小结
本章介绍了有限元思想和Comsol Multiphysics有限元软件，同时建立了输电塔有限
9
第一章 绪论
元分析模型。
(1) 对有限元思想进行了介绍，研究了输电塔有限元建模方法，分析了建模时需要注意的问题。
(2) 根据输电杆塔在实际环境中受到外界载荷的影响，利用CAD软件，见了2维的输电线铁塔。
‘
10
第一章 绪论
第三章 输电杆塔体系的静力学特性分析
因为输电塔线体系都修建在野外，所处的地理和气候环境相对比较复杂，其受到的外力载荷情况也比较复杂，外力载荷具有随机性和不确定性。输电塔线体系所受的载荷按照性质的不同可以分为永久载荷、可变载荷和偶然载荷。输电塔杆和导线的自重属于永久载荷，自然状态下的风载荷、覆冰载荷等属于可变载荷，台风、地震、断线载荷等属于偶然载荷.
考虑到输电塔架结构的复杂性，使用Comsol Multiphysics有限元软件作为静力学分析工具，对输电塔架结构的各构件的刚度，结构强度以及稳定性进行计算。
3.1 风载荷作用下的静力学分析
对输电单塔所受到的载荷情况进行研究时，发现单塔受到的载荷主要是作用于塔头横担两端的导地线的集中载荷。
3.1.1 风载荷
输电线路中的输电单塔属于具有高度对称性的高柔性结构，由于其结构性质的特殊性，风载荷对输电单塔影响很大，在风载荷的作用下容易引发输电单塔倾斜或者倒塔事故。通常将风载荷分为动态风载荷和静态风载荷和，设计人员会按照输电线路的设计规程要求，对输电单塔进行加载并计算。
有限元分析过程中，对输电单塔施加静态风载荷进行分析时，通常分成两部分:一是作用在塔身上的风载荷。根据输电单塔所在区域的最大风速，计算出作用在铁塔上的最大风载荷，然后分段施加到输电单塔上。二是作用在输电线上的风载荷，考虑输电线作用的输电塔线耦合体系，根据设计规范算出风载荷，并施加到导线悬挂点上，研究在风载荷作用下的输电线对输电铁塔的影响。
3.1.2 输电塔风载荷的计算
根据设计规则[8]，作用在输电塔架上风载荷按照下面的公式（3-1）进行计算：
wk??h?s?hw0
式中：wk作用在输电塔h高度处单位投影面积上的风荷载标准值(kN/m}；
?h：h高度处的风振系数；
w0：基本风压(kN/m2)，其取值不得小于 0.35kN/m2；
?s：风荷载体型系数；
?h：高度h处的风压高度变化系数。
根据相关的设计规则，地面粗糙度等级选为 B 级，风压高度变化系数?h的取值见表 3.1
表3.1 风压高度变化系数
11