Finite-Elemente-Analyse und Optimierungsdesign von Sendemasten

Abstrakt:

In diesem Artikel werden die Finite-Elemente-Optimierungsanalysemethode und die ANSYS-Softwareanalyseplattform verwendet, um eine Finite-Elemente-Analyse und einen Optimierungsentwurf durchzuführen Sendemast Struktur (Am Beispiel des Stahlrohrturms). In der Strukturanalyse, basierend auf der APDL-Sprache, Ein parametrisches Finite-Elemente-Modell wird verwendet, um eine Finite-Elemente-Analyse des mechanischen Verhaltens des ursprünglichen Entwurfsschemas unter verschiedenen Arbeitsbedingungen durchzuführen, und die mechanischen Eigenschaften der Struktur unter verschiedenen Arbeitsbedingungen werden bewertet. Auf dieser Basis, Der Optimierungsentwurf wird eingeführt, um das ursprüngliche Entwurfsschema zu optimieren. Unter der Voraussetzung, das Festigkeitskriterium zu erfüllen, Die Gesamtmasse der Struktur wird optimiert und reduziert 30%. In Ergänzung, Dieses Papier schlägt auch eine allgemeine Idee des Turmdesigns vor: Empirisches Design – Finite-Elemente-Strukturanalyse – Optimierungsdesign, Dies verbessert die Designeffizienz und spart Kosten, und kann als Referenz für die Lösung ähnlicher technischer Probleme dienen. Schlüsselwörter: Finite-Elemente-Analyse; parametrisches Design; Sendemast; Strukturoptimierungsdesign.

Forschungshintergrund

Übertragungsmasten sind wichtige tragende Strukturen in Energieübertragungsanlagen. Ihre Sicherheit und Stabilität wirken sich direkt auf den reibungslosen Betrieb des gesamten Energiesystems aus [1]. Auch die Belastungen an Sendemasten sind komplex und vielfältig. Normalerweise, Zu den Hauptlasten zählt das Eigengewicht der Leiter, Windstärke, und Eis. Unter der Kopplung dieser unterschiedlichen Lasten, Die Türme sollten über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um den normalen Betrieb des Übertragungssystems zu gewährleisten [2]. Moderne Hochleistungsübertragungsleitungen, repräsentiert durch die Ultrahochspannungsübertragung, stellen zunehmend höhere Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und die Sicherheit von Türmen. Deshalb, Es ist von großer praktischer Bedeutung, strukturelle Festigkeitsanalysen an Sendemasten durchzuführen, um schwere Schäden an den Masten zu vermeiden. Die statisch-mechanische Analyse von Türmen ist die Grundlage für die Untersuchung ihrer mechanischen Eigenschaften. Die traditionelle Entwurfsmethode für Turmstrukturen ist der empirische Entwurf, das ist, Der Designer entwirft zunächst einen ersten Entwurf entsprechend den relevanten Anforderungen, und überprüft dann manuell die Struktur. Wenn es die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften nicht erfüllt, Die Struktur wird erneut geändert und erneut überprüft, und dieser Vorgang wird wiederholt, bis das endgültige Entwurfsschema vorliegt. Diese Entwurfsmethode ist ineffizient, zeitaufwendig, und hängt stark vom Erfahrungsniveau des Designers ab. Angesichts der immer komplexeren und vielfältigeren Strukturen von Sendemasten ist diese Methode noch schwieriger anzuwenden. Mit der Entwicklung der modernen Computermechanik, Die Finite-Elemente-Simulationsanalyse hat die Genauigkeit und Effizienz der Analyse erheblich verbessert. In diesem Artikel wird die ANSYS-Software als Analyseplattform für die Durchführung von Finite-Elemente-Analysen und Optimierungsdesigns an Sendemasten ausgewählt.

1 Finite-Elemente-Analyse der Sendeturmstruktur

1.1 Forschungsobjekt
Es gibt viele Arten von Sendemastkonstruktionen. Ziel dieses Artikels ist es, die Struktur eines neueren Typs von Sendeturmkonstruktionen zu analysieren, der vierrohrige Stahlrohrturm. Bei diesem Turm handelt es sich um einen 220-kV-Einkreis-Stahlrohrturm mit 50°-Winkel. Seine Haupt- und Querstangen bestehen aus Stahlrohren. Der Turm ist 50 m hoch, und die Position und Breite der drei Querarme in Höhenrichtung sind bekannt. In Ergänzung, Alle anderen Informationen sind ungewiss, wie zum Beispiel der Abstand der Querträger, der Abstand der Querarmstützstangen, Materialparameter, Hauptmaterialien, Querstangen, und Winkelstahl-Querschnittsabmessungen. Angesichts dieser Situation, Zunächst sollte ein empirischer Entwurf durchgeführt werden, um die Grundform des Turms zu bestimmen, Erhalten Sie das ursprüngliche Entwurfsschema, und führen Sie dann eine Finite-Elemente-Analyse nach diesem Schema durch. Vor der Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse, Es ist notwendig, die Struktur zu vereinfachen und eine Finite-Elemente-Analyse nur für die Komponenten durchzuführen, die die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der Struktur widerspiegeln. Beispielsweise, im Sendemast, die Verbindungsbolzen, Anschlussplatten und Anbauteile können zunächst vernachlässigt werden, und der Turmrahmen kann analysiert werden, Dabei kann nicht nur das Spannungsverhalten der Struktur im Fokus stehen, Vermeiden Sie aber auch, zu viele Rechenressourcen zu verschwenden.

1.2 Geometrische Modellierung
Sobald die festen Parameter eingegeben sind, Die geometrische Form und die wichtigsten mechanischen Parameter des Finite-Elemente-Modells sind grundsätzlich festgelegt. Es wird hauptsächlich zur mechanischen Analyse eingestellter Parameter verwendet, und kann nicht zur Optimierung wichtiger Designvariablen verwendet werden. Die Universalität ist dürftig. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Optimierung der wichtigsten Entwurfsparameter des Sendeturms. Deshalb, Es ist notwendig, die parametrische Finite-Elemente-Modellierungsmethode zu übernehmen. Nach der Idee der parametrischen Modellierung, basierend auf der APDL-Sprache, Das gesamte Turmstrukturmodul ist in der geometrischen Struktur in vier Teile unterteilt: Hauptmaterial, Kreuzmaterial, Querarmplatte und Querarmhilfsmaterial. Das geometrische Modell wird wiederum erstellt, und schließlich wird das Gesamtmodell erhalten durch “Generalversammlung”. Das schematische Diagramm der modularen Modellierung ist in Abbildung dargestellt 1. Im Modellierungsprozess dieses Papiers, Einige geometrische Abmessungen sind parametrisiert, wie z. B. die Höhe der Traverse, Querstangenabstand, Oberseitenlänge, horizontaler Querträger-Hilfsmaterialabstand, Hilfsmaterialabstand und Querschnittsabmessungen der geneigten Traverse. Das schematische Diagramm der parametrisierten Dimensionen ist in Abbildung dargestellt 2. Im ursprünglichen Entwurfsschema, Alle Stahlmaterialien sind auf Q235-Stahl mit einer Streckgrenze von 235 MPa eingestellt. Die Finite-Elemente-Software selbst führt nur numerische Berechnungen durch. Bezogen auf das Einheitensystem, Der Benutzer kann selbst ein geschlossenes Einheitensystem festlegen. Aus Bequemlichkeitsgründen, In diesem Artikel wird bei der Analyse das Einheitensystem mm-Tonne-N-MPa verwendet.

1.3 Mesh-Aufteilung

Die Sendemaststruktur weist viele Verbindungsformen auf, und die Querschnittsformen der Bauteile sind vielfältig, und die Orientierung und die allgemeinen Belastungsbedingungen sind relativ komplex. Das herkömmliche Finite-Elemente-Analysemodell vereinfacht den Turm in ein räumliches Fachwerkmodell. Die Hauptprobleme sind wie folgt: Erste, Es werden nur die axiale Spannung und Kompression des Hauptmaterials berücksichtigt, aber in Wirklichkeit, zusätzlich zu axialem Zug und Druck, Auch das Hauptmaterial des Turms trägt komplexe Biegemomente und Drehmomente. Zweite, am Knotenanschluss, Das vereinfachte Scharnier kann kein Biegemoment übertragen. Der eigentliche Turmanschluss erfolgt in der Regel über Bolzen, Schweißen, etc. Die spezifischen starren Verbindungseigenschaften sind das Biegemoment, scheren, etc. können am Anschluss übertragen werden, während das vereinfachte Scharnier die tatsächliche starre Verbindung nicht vollständig widerspiegeln kann. Dritte, Das Modell kann die Querschnittsspannung des Bauteils nicht vollständig abbilden, und zeigt normalerweise nur die Knotenspannung des Finite-Elemente-Modells an. Entsprechend den Beanspruchungseigenschaften des Sendemastes, In diesem Artikel werden die komplexen Auswirkungen von Spannungen untersucht, Kompression, Beugung, und Torsion an den Stangen, und nutzt 3D-Balkenelemente (Strahl189) zum Modellieren. Gleichzeitig, Dabei werden die Unterschiede in der Querschnittsform und Ausrichtung der einzelnen Stäbe berücksichtigt, und die Querschnittsform und -richtung werden definiert. Bei der Nachbearbeitung der Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse, Die Querschnittsspannung wird extrahiert, nicht nur die Knotenspannung. Berücksichtigung der komplexen Beanspruchungsverhältnisse der Traversenplatte, das Shell-Element (Shell63) wird zur Vernetzung verwendet. Das in diesem Artikel beschriebene Finite-Elemente-Analysemodell mit 3D-Träger- und Schaleneinheiten kann die Probleme des Fachwerkmodells vermeiden, spiegeln die komplexen Spannungsverhältnisse der Hauptmaterialien und die starre Verbindung der Verbindungspunkte wider, Geben Sie die Querschnittsform der Komponenten vollständig wieder und zeigen Sie die Querschnittsspannung der Komponenten an, und kann die gesamten Belastungseigenschaften des Sendeturms vollständig widerspiegeln.

1.4 Randbedingungen

Die Belastungen des Sendemastes sind relativ komplex, hauptsächlich einschließlich Eigengewicht, Windlast, die Wirkung des Leiters auf den Turm, und Anhänge (Eisbeschichtung, Hardware, usw.). In Ergänzung, Sondersituationen wie Leitungsunterbrechungen müssen berücksichtigt werden. Im Design des Turms, Die Lastenberechnung ist relativ ausgereift, und es gibt viele spezielle Berechnungsprogramme, die die Belastungsbedingungen des Turms unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und meteorologischen Bedingungen berechnen können, und dann äquivalent zu den relevanten Punkten des Turms. Dieses Papier verwendet die “MYLHZ-System zur Berechnung der Vollspannungslast” um die Belastungsbedingungen des Turms unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu berechnen. Es ist zu beachten, dass dieses Programm die Stressbedingungen von Hunderten von Arbeitsbedingungen berechnen kann. Nach vorläufiger empirischer Analyse, Dieses Papier wurde schließlich ausgewählt 5 relativ schwierige Arbeitsbedingungen für eine detaillierte Analyse. Diese 5 Die Arbeitsbedingungen sind wie folgt. Funktionierender Zustand 13: starker Wind, unausgeglichene Spannung, 0-Grad Wind; Arbeitszustand 16: starker Wind, unausgeglichene Spannung, 90-Grad Wind; Arbeitszustand 25: Eisdecke, ausgeglichene Spannung, 0-Grad Wind; Arbeitszustand 78: Übertragungsleitung Gitterturm aus verzinktem Stahl, unausgeglichene Spannung, kein Wind, defekter Leiter, 1, 3; Arbeitszustand 87: Installation, angrenzendes Zahnrad nicht aufgehängt, 90-Grad Wind, Traktionsleiter 1. Randbedingungen der Relativkraft, Die Verschiebungsbeschränkung des Turms ist relativ einfach, das ist, der Boden 4 Punkte sind vollständig eingeschränkt.

1.5 Analyse und Diskussion der Ergebnisse des Finite-Elemente-Modells

Dieses Papier basiert hauptsächlich auf dem Festigkeitskriterium bei der Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse für das ursprüngliche Schema, das ist, Die maximale Vergleichsspannung der Struktur darf die Streckgrenze nicht überschreiten. In diesem Fall, Die Struktur gilt als sicher, andernfalls wird davon ausgegangen, dass die Wahrscheinlichkeit eines strukturellen Versagens hoch ist. Nach der Analyse, Es wurde festgestellt, dass es sich um einen funktionstüchtigen Zustand handelte 25, Die maximale Verschiebung des Turms erreichte 384 mm und die maximale äquivalente Spannung betrug 330 MPa, was den Fließwert des Materials von 235 MPa überstieg. Deshalb, Die Wahrscheinlichkeit eines Strukturversagens ist unter diesen Betriebsbedingungen relativ hoch. Siehe Abbildung 3 für Einzelheiten.

2 Optimierungsdesign der Sendeturmstruktur

2.1 Einführung in das Optimierungsdesign
Optimierungsdesign ist eine Technik zum Finden der optimalen Designlösung, Das heißt, die optimale Designlösung zu finden, mit der das Designziel unter den gegebenen Einschränkungen erreicht werden kann. Die internationale Großsoftware ANSYS bietet ein Optimierungsdesignmodul und alle parametrisierten ANSYS-Optionen können für das Optimierungsdesign verwendet werden. Der Hauptberechnungsprozess des Optimierungsdesigns ist wie folgt: Erste, Initialisieren Sie die Variablen und erstellen Sie ein parametrisches Modell. Dann, entsprechend der Zielfunktion und den Einschränkungen, Kombinieren Sie die Entwurfsvariablen, um eine Finite-Elemente-Berechnung und -Analyse durchzuführen, Verwenden Sie die Optimierungsmethode nullter Ordnung, um eine globale Suche und Optimierung durchzuführen, und beurteilen Sie dann die Konvergenz der Ergebnisse. Wenn Konvergenz, Die Berechnung endet und das Optimierungsergebnis wird erhalten; wenn nicht, Passen Sie die Entwurfsvariablen an und berechnen Sie sie bis zur Konvergenz neu..

2.2 Einstellung von Optimierungsparametern
Gemäß der Grundidee des Optimierungsdesigns, Zu den drei Schlüsselpunkten des Optimierungsdesigns gehört die Auswahl der Designvariablen, Einschränkungen und Zielfunktionen. Seitdem steht die Grundform des Turmbauwerks fest, Es gibt jedoch noch viele Parameter, die entworfen werden können, Einige Schlüsselparameter werden zur Optimierung ausgewählt. Dieses Papier wählt aus 16 Variablen wie die Länge der Unterseite, Oberseitenlänge, Querstangenabstand, und Querschnittsabmessungen als Designvariablen. Die Optimierung basiert auf dem Festigkeitskriterium, Daher ist die Auswahl der Einschränkungen relativ einfach, das ist, Die maximale Querschnittsspannung verschiedener Einheiten darf die Streckgrenze von 235 MPa nicht überschreiten.

2.3   Auswahl der Zielfunktion
Ausgangsstruktur
Die objektive Funktion dieses Papiers ist relativ einfach, das ist, die Gesamtmasse der Struktur. Der Zweck der Optimierung besteht darin, die Gesamtmasse der Struktur zu reduzieren. Basierend auf den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse jeder Arbeitsbedingung, in den fünf Arbeitsbedingungen, der Grad der Gefährdung nimmt mit zunehmendem Arbeitszustand ab 25 in einen funktionsfähigen Zustand 78 und schließlich in einen funktionsfähigen Zustand 87. Der Vorsicht halber, In diesem Artikel werden die gefährlichsten Arbeitsbedingungen ausgewählt (Arbeitszustand 25) als Optimierungsarbeitsbedingung. Unter dieser Arbeitsbedingung, Durch das Optimierungsergebnis wird die Struktur tendenziell sicherer.

2.4   Einstellen des Optimierungsalgorithmus
Der ANSYS-Optimierungsalgorithmus wandelt das eingeschränkte Optimierungsproblem in ein uneingeschränktes Optimierungsproblem um, indem er die Zielfunktion annähert oder der Zielfunktion eine Straffunktion hinzufügt. Normalerweise gibt es zwei Arten von Algorithmen, Algorithmus nullter Ordnung und Algorithmus erster Ordnung [3]. Der Algorithmus nullter Ordnung wird auch direkte Methode genannt, die die partiellen Ableitungsinformationen erster Ordnung nicht verwendet. Der Algorithmus erster Ordnung wird auch indirekte Methode genannt, welches die partiellen Ableitungsinformationen erster Ordnung verwendet. Allgemein gesagt, Der Algorithmus erster Ordnung hat einen großen Rechenaufwand und eine hohe Genauigkeit des Rechenergebnisses, während der Algorithmus nullter Ordnung einen geringen Rechenaufwand hat, eine schnelle Betriebsgeschwindigkeit, und eine geringe Präzision des Ergebnisses, Aber es kann im Grunde die meisten Projekte lösen. In diesem Artikel wird der Algorithmus nullter Ordnung gewählt. Der Algorithmus nullter Ordnung passt die Antwortfunktion der Designvariablen an, Zustandsvariablen, und objektive Funktionen basierend auf einer bestimmten Anzahl von Stichproben, und sucht dann nach der optimalen Lösung. In diesem Artikel wird der Schleifensteuerungsparameter auf festgelegt 50. Nach dem Festlegen der Designvariablen, Einschränkungen, Zielfunktionen, Optimierungsalgorithmen und andere Parameter, Es wird eine iterative Optimierung durchgeführt, und die Optimierungsergebnisse werden schließlich erhalten, wie in der Tabelle gezeigt 1. Laut Tabelle 1, unter der Prämisse, das Festigkeitskriterium zu erfüllen, die Gesamtmasse der Struktur reduziert sich auf etwa 25 t, mit einer Reduzierung von bis zu 30%.

3.5 Designideen zur Strukturoptimierung

Von der oben genannten strukturellen Finite-Elemente-Analyse bis zum strukturellen Optimierungsdesign, Eine universelle Idee lässt sich zusammenfassen. Der erste Schritt besteht darin, das anfängliche Entwurfsschema durch empirisches Design zu erhalten. Entsprechend den Designanforderungen und Designbedingungen des Turms, Zunächst werden anhand von Erfahrungswerten die Grundbauform und die Grundparameter des Sendemastes ermittelt. Die Rationalität des ursprünglichen Entwurfsplans hängt von der Designerfahrung des Designers ab. Im zweiten Schritt erfolgt die Überprüfung der Festigkeit mittels Finite-Elemente-Analyse. Verbessern Sie die unangemessenen Teile, die möglicherweise im ursprünglichen Entwurfsschema vorhanden sind. Der dritte Schritt ist das Strukturoptimierungsdesign, und finden Sie die optimale Struktur unter der Voraussetzung, dass die Einschränkungen erfüllt werden. Das schematische Diagramm dieser Optimierungsidee ist in Abbildung dargestellt 4. Das Traditionelle “Vorläufige Entwurfsanalyse und Verifizierung, Rückkehr zur Änderung, Analyse und Verifizierung” Die empirische Entwurfsmethode ist ineffizient, zeitaufwendig, und die Struktur kann überflüssig und unwirtschaftlich sein. Die in diesem Artikel vorgeschlagene Idee des Optimierungsdesigns basiert ursprünglich auf empirischem Design, lässt die subjektive Kreativität und Designerfahrung von Designern voll zur Geltung kommen, und basiert auf der Finite-Elemente-Simulationsanalyse und -optimierung. Es nutzt moderne Optimierungsalgorithmen und nutzt die leistungsstarke Rechenleistung von Computern, um iterative Analysen durchzuführen. Es kann in kürzerer Zeit die am besten optimierte Struktur finden, Verbessert die Designeffizienz erheblich, optimiert die Designergebnisse, spart Zeit und Ressourcenkosten, und hat gute wirtschaftliche Vorteile.

3 Abschluss

In diesem Artikel wird ein Finite-Elemente-Analysemodell eines Sendemastes erstellt (Vierrohrturm), Auf dieser Grundlage werden Finite-Elemente-Analyse und Strukturoptimierungsentwurf durchgeführt, und schließlich wird ein Referenzdesignschema erhalten. Das Finite-Elemente-Modell basiert auf der APDL-Sprache, realisiert parametrische Steuerung, verfügt über einen hohen Automatisierungsgrad, und kann sich an unterschiedliche Turmhöhen anpassen, Querlattenpositionen, Querarmpositionen, verschiedene Querschnittsparameter und Materialparameter von Turmtypen, Bereitstellung einer Referenz für die Analyse ähnlicher Strukturen in der Zukunft. In Ergänzung, Dieses Papier schlägt auch eine allgemeine Idee des Turmdesigns vor, nämlich, Empirisches Design – Finite-Elemente-Strukturanalyse – Optimierungsdesign, Dies verbessert die Designeffizienz und spart Kosten, und kann als Referenz für die Lösung ähnlicher technischer Probleme dienen.