تحليل العناصر المحدودة والتصميم الأمثل لأبراج النقل

نبذة مختصرة:

تستخدم هذه الورقة طريقة تحليل العناصر المحدودة ومنصة تحليل البرمجيات ANSYS لإجراء تحليل العناصر المحدودة وتصميم التحسين على برج الإرسال بناء (أخذ برج الأنابيب الفولاذية كمثال). في التحليل الهيكلي, على أساس لغة APDL, تم استخدام نموذج العناصر المحدودة البارامترية لإجراء تحليل العناصر المحدودة على السلوك الميكانيكي لمخطط التصميم الأولي في ظل ظروف العمل المختلفة, ويتم تقييم الخواص الميكانيكية للهيكل في ظل ظروف العمل المختلفة. على هذا الأساس, تم تقديم التصميم الأمثل لتحسين مخطط التصميم الأولي. تحت فرضية تلبية معيار القوة, تم تحسين الكتلة الإجمالية للهيكل وتقليلها بواسطة 30%. بالإضافة الى, تقترح هذه الورقة أيضًا فكرة عامة عن تصميم البرج: التصميم التجريبي – التحليل الهيكلي للعناصر المحدودة – التصميم الأمثل, مما يحسن كفاءة التصميم ويوفر التكاليف, ويمكن أن توفر مرجعًا لحل المشكلات الهندسية المماثلة. الكلمات الدالة: تحليل العناصر المحدودة; التصميم البارامترى; برج الإرسال; تصميم التحسين الهيكلي.

خلفية البحث

أبراج النقل هي هياكل حاملة مهمة في معدات نقل الطاقة. سوف تؤثر سلامتهم واستقرارهم بشكل مباشر على التشغيل السلس لنظام الطاقة بأكمله [1]. كما أن الأحمال على أبراج النقل معقدة ومتنوعة. عادة, وتشمل الأحمال الرئيسية الوزن الساكن للموصلات, قوة الرياح, والجليد. تحت اقتران هذه الأحمال المختلفة, يجب أن تتمتع الأبراج بقوة ميكانيكية كافية لضمان التشغيل الطبيعي لنظام النقل [2]. إن خطوط النقل الحديثة عالية المستوى المتمثلة في نقل الجهد العالي للغاية لها متطلبات أعلى بشكل متزايد فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية وسلامة الأبراج. وبالتالي, من الأهمية العملية الكبيرة إجراء تحليل القوة الهيكلية لأبراج النقل لتجنب حدوث أضرار جسيمة للأبراج. يعتبر التحليل الميكانيكي الساكن للأبراج هو الأساس لدراسة خواصها الميكانيكية. الطريقة التقليدية لتصميم هيكل البرج هي التصميم التجريبي, هذا هو, يقوم المصمم أولاً بتصميم مخطط أولي وفقًا للمتطلبات ذات الصلة, ثم يقوم بفحص الهيكل يدويًا. إذا كان لا يفي بمتطلبات الخواص الميكانيكية, يتم تعديل الهيكل مرة أخرى والتحقق منه مرة أخرى, وتكرر هذه العملية حتى يتم الحصول على مخطط التصميم النهائي. طريقة التصميم هذه غير فعالة, تستغرق وقتًا طويلاً, ويعتمد بشكل كبير على مستوى خبرة المصمم. تعتبر هذه الطريقة أكثر صعوبة في العمل في مواجهة الهياكل المتزايدة التعقيد والمتنوعة لأبراج النقل. مع تطور الميكانيكا الحسابية الحديثة, أدى تحليل محاكاة العناصر المحدودة إلى تحسين دقة وكفاءة التحليل بشكل كبير. تختار هذه الورقة برنامج ANSYS كمنصة تحليل لإجراء تحليل العناصر المحدودة وتصميم التحسين على أبراج النقل.

1 تحليل العناصر المحدودة لهيكل برج النقل

1.1 كائن البحث
هناك أنواع عديدة من هياكل برج النقل. تهدف هذه الورقة إلى تحليل هيكل نوع أحدث من هيكل برج النقل, برج الأنابيب الفولاذية ذو الأربعة أنابيب. هذا البرج عبارة عن برج من الأنابيب الفولاذية أحادي الدائرة بجهد 220 كيلو فولت بزاوية 50 درجة. الرئيسية والقضبان المتقاطعة مصنوعة من الأنابيب الفولاذية. ويبلغ ارتفاع البرج 50 مترا, وموضع وعرض الأذرع الثلاثة في اتجاه الارتفاع معروف. بالإضافة الى, جميع المعلومات الأخرى غير مؤكدة, مثل التباعد بين العارضتين, التباعد بين قضبان دعم crossarm, المعلمات المادية, المواد الرئيسية, العارضة, وأبعاد المقطع العرضي للصلب. ونظرا لهذا الوضع, يجب أن يتم التصميم التجريبي أولاً لتحديد الشكل الأساسي للبرج, الحصول على مخطط التصميم الأولي, ومن ثم إجراء تحليل العناصر المحدودة على هذا المخطط. قبل إجراء تحليل العناصر المحدودة, من الضروري تبسيط الهيكل وإجراء تحليل العناصر المحدودة فقط على المكونات التي تعكس الخواص الميكانيكية الرئيسية للهيكل. فمثلا, في برج الإرسال, مسامير الاتصال, يمكن تجاهل لوحات الاتصال والمرفقات أولاً, ويمكن تحليل إطار البرج, والتي لا يمكن التركيز فقط على سلوك الإجهاد للهيكل, ولكن أيضًا تجنب إهدار الكثير من موارد الحوسبة.

1.2 النمذجة الهندسية
بمجرد إدخال المعلمات الثابتة, تم إصلاح الشكل الهندسي والمعلمات الميكانيكية الرئيسية لنموذج العناصر المحدودة بشكل أساسي. يتم استخدامه بشكل أساسي للتحليل الميكانيكي لمعلمات المجموعة, ولا يمكن استخدامها لتحسين متغيرات التصميم الرئيسية. العالمية سيئة. تركز هذه الورقة على تحسين معايير التصميم الرئيسية لبرج النقل. وبالتالي, ومن الضروري اعتماد طريقة نمذجة العناصر المحدودة البارامترية. وفقا لفكرة النمذجة البارامترية, على أساس لغة APDL, تنقسم وحدة هيكل البرج بأكملها إلى أربعة أجزاء في الهيكل الهندسي: المادة الرئيسية, مادة متقاطعة, لوحة الذراع المتقاطعة والمواد المساعدة للذراع المتقاطع. يتم إنشاء النموذج الهندسي بدوره, وأخيرًا يتم الحصول على النموذج العام بواسطة “الجمعية العامة”. يظهر الرسم التخطيطي للنمذجة المعيارية في الشكل 1. في عملية النمذجة لهذه الورقة, يتم تحديد بعض الأبعاد الهندسية, مثل ارتفاع crossarm, تباعد العارضة, طول الجانب العلوي, تباعد المواد المساعدة الأفقية, تباعد المواد المساعدة المتقاطعة المائلة وأبعاد المقطع العرضي. يظهر الرسم التخطيطي للأبعاد ذات المعلمات في الشكل 2. في مخطط التصميم الأولي, تم ضبط جميع المواد الفولاذية على فولاذ Q235 بقوة إنتاج تبلغ 235 ميجا باسكال. يقوم برنامج العناصر المحدودة نفسه بإجراء حسابات رقمية فقط. من حيث نظام الوحدة, يمكن للمستخدم ضبط نظام الوحدة المغلقة بنفسه. للراحة, تستخدم هذه الورقة نظام وحدة mm-ton-N-MPa في التحليل.

1.3 تقسيم شبكي

يحتوي هيكل برج النقل على العديد من أشكال الاتصال, والأشكال المقطعية للمكونات متنوعة, والتوجه وظروف الإجهاد الشاملة معقدة نسبيًا. يعمل نموذج تحليل العناصر المحدودة التقليدي على تبسيط البرج إلى نموذج الجمالون المكاني. المشاكل الرئيسية هي كما يلي: أولا, يتم أخذ التوتر المحوري وضغط المادة الرئيسية في الاعتبار فقط, ولكن في الواقع, بالإضافة إلى التوتر والضغط المحوري, تتحمل المادة الرئيسية للبرج أيضًا لحظات انحناء وعزم دوران معقدة. ثانية, في اتصال العقدة, لا يمكن للمفصلة المبسطة أن تنقل لحظة الانحناء. عادةً ما يتم توصيل اتصال البرج الفعلي بواسطة البراغي, لحام, إلخ. خصائص الاتصال الصلبة المحددة هي لحظة الانحناء, قص, إلخ. يمكن أن تنتقل عند الاتصال, في حين أن المفصلة المبسطة لا يمكنها أن تعكس بشكل كامل الاتصال الصلب الفعلي. الثالث, لا يمكن للنموذج أن يعرض بشكل كامل ضغط المقطع العرضي للمكون, وعادةً ما يعرض فقط ضغط العقدة لنموذج العناصر المحدودة. وفقا لخصائص الإجهاد لبرج النقل, تتناول هذه الورقة الآثار المعقدة للتوتر, ضغط, تقويس, والالتواء على القضبان, ويستخدم عناصر شعاع ثلاثية الأبعاد (شعاع189) للنمذجة. في نفس الوقت, يتم أخذ الاختلافات في شكل المقطع العرضي واتجاه كل قضيب بعين الاعتبار, ويتم تحديد شكل المقطع العرضي واتجاهه. في مرحلة ما بعد المعالجة لنتائج تحليل العناصر المحدودة, يتم استخراج الإجهاد المقطعي, ليس فقط الإجهاد العقدة. مع الأخذ في الاعتبار ظروف الإجهاد المعقدة للوحة الذراع المتقاطعة, عنصر القشرة (shell63) يستخدم للربط. يمكن لنموذج تحليل العناصر المحدودة لوحدة الشعاع ثلاثي الأبعاد في هذه الورقة تجنب مشاكل نموذج الجمالون, تعكس ظروف الضغط المعقدة للمواد الرئيسية والاتصال الصارم لنقاط الاتصال, يعكس بشكل كامل الشكل المقطعي للمكونات ويعرض ضغط المقطع العرضي للمكونات, ويمكن أن تعكس بشكل كامل خصائص الضغط الشاملة لبرج النقل.

1.4 شروط الحدود

الأحمال التي يتحملها برج النقل معقدة نسبيًا, بما في ذلك الوزن الذاتي بشكل رئيسي, حمل الرياح, تأثير الموصل على البرج, والمرفقات (طلاء الجليد, الأجهزة, الخ.). بالإضافة الى, يجب مراعاة المواقف الخاصة مثل انقطاع الخط. في تصميم البرج, حساب الأحمال ناضج نسبيا, وهناك العديد من برامج الحساب الخاصة التي يمكنها حساب ظروف الضغط للبرج في ظل ظروف العمل المختلفة وظروف الأرصاد الجوية, ومن ثم ما يعادل النقاط ذات الصلة من البرج. تستخدم هذه الورقة “نظام حساب حمل الضغط الكامل MYLHZ” لحساب ظروف الإجهاد للبرج في ظل ظروف العمل المختلفة. تجدر الإشارة إلى أن هذا البرنامج يمكنه حساب ظروف الضغط لمئات من ظروف العمل. بعد التحليل التجريبي الأولي, تم اختيار هذه الورقة أخيرًا 5 ظروف عمل قاسية نسبيا لتحليل مفصل. هؤلاء 5 ظروف العمل هي كما يلي. حالة العمل 13: رياح قوية, التوتر غير المتوازن, 0-درجة الرياح; حالة العمل 16: رياح قوية, التوتر غير المتوازن, 90-درجة الرياح; حالة العمل 25: غطاء جليدي, التوتر المتوازن, 0-درجة الرياح; حالة العمل 78: متطلبات التصميم ب ١.٥.١ تضغط الوحدة على الأعضاء والتوصيلات لحساب التصميم الإنشائي, التوتر غير المتوازن, لا الرياح, موصل مكسور, 1, 3; حالة العمل 87: تثبيت, العتاد المجاور غير معلق, 90-درجة الرياح, موصل الجر 1. شروط حدود القوة النسبية, إن قيد إزاحة البرج بسيط نسبيًا, هذا هو, القاع 4 النقاط مقيدة بالكامل.

1.5 تحليل ومناقشة نتائج نموذج العناصر المحدودة

تعتمد هذه الورقة بشكل أساسي على معيار القوة عند إجراء تحليل العناصر المحدودة على المخطط الأولي, هذا هو, لا يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى للضغط المكافئ للهيكل قوة الخضوع. في هذه الحالة, يعتبر الهيكل آمنا, وإلا فإنه يعتبر أن احتمال الفشل الهيكلي مرتفع. بعد التحليل, وقد وجد أنه في حالة صالحة للعمل 25, بلغ الحد الأقصى لإزاحة البرج 384 ملم وكان الحد الأقصى للضغط المكافئ 330 ميجا باسكال, والتي تجاوزت قيمة إنتاجية المادة 235MPa. وبالتالي, احتمال حدوث فشل هيكلي في ظل ظروف العمل هذه مرتفع نسبيًا. انظر الشكل 3 للحصول على التفاصيل.

2 التصميم الأمثل لهيكل برج النقل

2.1 مقدمة لتصميم الأمثل
التصميم الأمثل هو أسلوب لإيجاد حل التصميم الأمثل, وهو إيجاد الحل التصميمي الأمثل الذي يمكن أن يحقق هدف التصميم في ظل القيود. يوفر برنامج ANSYS الدولي واسع النطاق وحدة تصميم تحسينية ويمكن استخدام جميع خيارات ANSYS ذات المعلمات لتصميم التحسين. عملية الحساب الرئيسية لتصميم التحسين هي كما يلي: أولاً, تهيئة المتغيرات وإنشاء نموذج حدودي. ثم, وفقا لوظيفة الهدف والقيود, الجمع بين متغيرات التصميم لإجراء حساب وتحليل العناصر المحدودة, استخدم طريقة التحسين ذات الترتيب الصفري لإجراء البحث والتحسين العالمي, ومن ثم الحكم على تقارب النتائج. إذا التقارب, ينتهي الحساب ويتم الحصول على نتيجة التحسين; إذا لم يكن كذلك, ضبط متغيرات التصميم وإعادة الحساب حتى التقارب..

2.2 تحديد معلمات التحسين
وفقًا للفكرة الأساسية للتصميم الأمثل, تتضمن النقاط الرئيسية الثلاث لتصميم التحسين اختيار متغيرات التصميم, القيود والوظائف الموضوعية. حيث تم تحديد الشكل الأساسي لهيكل البرج, ولكن لا يزال هناك العديد من المعلمات التي يمكن تصميمها, يتم تحديد بعض المعلمات الأساسية للتحسين. هذه الورقة تختار 16 المتغيرات مثل طول الجانب السفلي, طول الجانب العلوي, تباعد العارضة, وأبعاد المقطع العرضي كمتغيرات التصميم. يعتمد التحسين على معيار القوة, لذا فإن اختيار القيد بسيط نسبيًا, هذا هو, لا يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى لضغط المقطع العرضي للوحدات المختلفة قوة الخضوع البالغة 235 ميجا باسكال.

2.3   اختيار الوظيفة الموضوعية
الهيكل الأولي
الوظيفة الموضوعية لهذه الورقة بسيطة نسبيا, هذا هو, الكتلة الإجمالية للهيكل. الغرض من التحسين هو تقليل الكتلة الإجمالية للهيكل. وفقا لنتائج تحليل العناصر المحدودة لكل حالة عمل, في شروط العمل الخمسة, تنخفض درجة الخطر من حالة العمل 25 لحالة العمل 78 وأخيرا إلى حالة صالحة للعمل 87. من أجل الحيطة والحذر, تختار هذه الورقة ظروف العمل الأكثر خطورة (حالة العمل 25) كشرط العمل الأمثل. في ظل ظروف العمل هذه, ستجعل نتيجة التحسين الهيكل يميل إلى أن يكون أكثر أمانًا.

2.4   ضبط خوارزمية التحسين
تقوم خوارزمية تحسين ANSYS بتحويل مشكلة التحسين المقيدة إلى مشكلة تحسين غير مقيدة عن طريق تقريب الوظيفة الهدف أو إضافة وظيفة جزاء إلى الوظيفة الهدف. عادة ما يكون هناك نوعان من الخوارزميات, خوارزمية الترتيب الصفري وخوارزمية الترتيب الأول [3]. تسمى خوارزمية الترتيب الصفري أيضًا بالطريقة المباشرة, والتي لا تستخدم المعلومات المشتقة الجزئية من الدرجة الأولى. تسمى خوارزمية الدرجة الأولى أيضًا بالطريقة غير المباشرة, الذي يستخدم المعلومات المشتقة الجزئية من الدرجة الأولى. بشكل عام, تحتوي خوارزمية الدرجة الأولى على قدر كبير من العمليات الحسابية ودقة عالية لنتائج الحساب, بينما تحتوي خوارزمية الترتيب الصفري على قدر صغير من العمليات الحسابية, سرعة تشغيل سريعة, ودقة منخفضة للنتيجة, لكنه يمكنه حل معظم المشاريع بشكل أساسي. تختار هذه الورقة خوارزمية الترتيب الصفري. تناسب خوارزمية الترتيب الصفري وظيفة الاستجابة لمتغيرات التصميم, متغيرات الحالة, والوظائف الموضوعية بناءً على عدد معين من العينات, ومن ثم يبحث عن الحل الأمثل. تقوم هذه الورقة بتعيين معلمة التحكم في الحلقة على 50. بعد تحديد متغيرات التصميم, قيود, وظائف موضوعية, خوارزميات التحسين وغيرها من المعلمات, يتم تنفيذ التحسين التكراري, ويتم الحصول في النهاية على نتائج التحسين, كما هو مبين في الجدول 1. حسب الجدول 1, في ظل استيفاء معيار القوة, يتم تقليل الكتلة الإجمالية للهيكل إلى حوالي 25 طنًا, مع تخفيض يصل إلى 30%.

3.5 أفكار تصميم التحسين الهيكلي

من تحليل العناصر المحدودة الهيكلية أعلاه إلى تصميم التحسين الهيكلي, فكرة عالمية يمكن تلخيصها. الخطوة الأولى هي الحصول على مخطط التصميم الأولي من خلال التصميم التجريبي. وفقا لمتطلبات تصميم البرج وشروط التصميم, يتم تحديد الشكل الهيكلي الأساسي والمعلمات الأساسية لبرج النقل أولاً بناءً على الخبرة. تعتمد عقلانية مخطط التصميم الأولي على تجربة التصميم للمصمم. الخطوة الثانية هي استخدام تحليل العناصر المحدودة للتحقق من القوة. تحسين الأجزاء غير المعقولة التي قد تكون موجودة في مخطط التصميم الأولي. الخطوة الثالثة هي تصميم التحسين الهيكلي, وإيجاد الهيكل الأمثل في ظل فرضية تلبية القيود. يظهر الرسم التخطيطي لفكرة التحسين هذه في الشكل 4. التقليدية “التحليل الأولي للتصميم والتحقق، وتعديل الإرجاع، والتحليل والتحقق” طريقة التصميم التجريبي غير فعالة, تستغرق وقتًا طويلاً, وقد يكون الهيكل زائداً عن الحاجة وغير اقتصادي. فكرة التصميم الأمثل المقترحة في هذه الورقة تأخذ التصميم التجريبي كأساس أصلي, يعطي العنان للإبداع الشخصي وتجربة التصميم للمصممين, ويستند إلى تحليل محاكاة العناصر المحدودة وتحسينها. ويستخدم خوارزميات التحسين الحديثة ويستخدم قوة الحوسبة القوية لأجهزة الكمبيوتر لإجراء التحليل التكراري. يمكنه العثور على الهيكل الأمثل في وقت أقصر, يحسن بشكل كبير كفاءة التصميم, يحسن نتائج التصميم, يوفر الوقت وتكاليف الموارد, ولها فوائد اقتصادية جيدة.

3 خاتمة

تضع هذه الورقة نموذج تحليل العناصر المحدودة لبرج النقل (برج بأربعة أنابيب), على أساسه يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة وتصميم التحسين الهيكلي, وأخيرا يتم الحصول على مخطط التصميم المرجعي. يعتمد نموذج العناصر المحدودة على لغة APDL, يدرك السيطرة البارامترية, لديه درجة عالية من الأتمتة, ويمكن أن تتكيف مع ارتفاعات البرج المختلفة, مواقف العارضة, المواقف المتقاطعة, معلمات المقطع العرضي المختلفة ومعلمات المواد لأنواع الأبراج, توفير مرجع لتحليل الهياكل المماثلة في المستقبل. بالإضافة الى, تقترح هذه الورقة أيضًا فكرة عامة عن تصميم البرج, وهي, التصميم التجريبي – التحليل الهيكلي للعناصر المحدودة – التصميم الأمثل, مما يحسن كفاءة التصميم ويوفر التكاليف, ويمكن أن توفر مرجعًا لحل المشكلات الهندسية المماثلة.