Análisis de Elementos Finitos y Diseño de Optimización de Torres de Transmisión

Abstracto:

Este artículo utiliza el método de análisis de optimización de elementos finitos y la plataforma de análisis de software ANSYS para realizar análisis de elementos finitos y diseño de optimización en el Torre de transmisión estructura (tomando como ejemplo la torre de tubos de acero). En el análisis estructural, basado en el lenguaje APDL, Se utiliza un modelo paramétrico de elementos finitos para realizar un análisis de elementos finitos sobre el comportamiento mecánico del esquema de diseño inicial bajo diversas condiciones de trabajo., y se evalúan las propiedades mecánicas de la estructura bajo diferentes condiciones de trabajo. Sobre esta base, Se introduce el diseño de optimización para optimizar el esquema de diseño inicial.. Bajo la premisa de cumplir con el criterio de resistencia., la masa total de la estructura se optimiza y reduce mediante 30%. en adición, Este artículo también propone una idea general del diseño de torres.: diseño empírico-análisis estructural de elementos finitos-diseño de optimización, lo que mejora la eficiencia del diseño y ahorra costos, y puede proporcionar una referencia para resolver problemas de ingeniería similares. Palabras clave: análisis de elementos finitos; diseño paramétrico; Torre de transmisión; diseño de optimización estructural.

Antecedentes de la investigación

Las torres de transmisión son importantes estructuras de carga en los equipos de transmisión de energía.. Su seguridad y estabilidad afectarán directamente al buen funcionamiento de todo el sistema eléctrico. [1]. Las cargas en las torres de transmisión también son complejas y diversas.. También se debe tener en cuenta el hecho de que el viento puede desviar el hielo que cae, las cargas principales incluyen el peso propio de los conductores, fuerza del viento, y hielo. Bajo el acoplamiento de estas diferentes cargas., Las torres deben tener suficiente resistencia mecánica para garantizar el funcionamiento normal del sistema de transmisión. [2]. Las modernas líneas de transmisión de alto nivel representadas por transmisión de voltaje ultra alto tienen requisitos cada vez más altos en cuanto a las propiedades mecánicas y la seguridad de las torres.. Por lo tanto, Es de gran importancia práctica realizar análisis de resistencia estructural en torres de transmisión para evitar daños graves a las torres.. El análisis mecánico estático de torres es la base para estudiar sus propiedades mecánicas.. El método tradicional de diseño de estructuras de torres es el diseño empírico., es decir, el diseñador primero diseña un esquema inicial de acuerdo con los requisitos relevantes, y luego verifica manualmente la estructura. Si no cumple con los requisitos de propiedades mecánicas., la estructura se modifica nuevamente y se revisa nuevamente, y este proceso se repite hasta obtener el esquema de diseño final. Este método de diseño es ineficiente., pérdida de tiempo, y altamente dependiente del nivel de experiencia del diseñador.. Este método es aún más difícil de trabajar ante estructuras cada vez más complejas y diversas de torres de transmisión.. Con el desarrollo de la mecánica computacional moderna., El análisis de simulación de elementos finitos ha mejorado enormemente la precisión y eficiencia del análisis.. Este artículo selecciona el software ANSYS como plataforma de análisis para realizar análisis de elementos finitos y diseño de optimización en torres de transmisión..

1 Análisis de elementos finitos de la estructura de la torre de transmisión

1.1 Objeto de investigación
Existen muchos tipos de estructuras de torres de transmisión.. Este artículo tiene como objetivo analizar la estructura de un tipo más nuevo de estructura de torre de transmisión., la torre de tubos de acero de cuatro tubos. Esta torre es una torre de tubería de acero con ángulo de 50° y circuito único de 220 kV.. Su principal y travesaños están hechos de tubos de acero.. La torre tiene 50 m de altura., y se conocen la posición y el ancho de las tres cruces en la dirección de la altura.. en adición, toda la demás información es incierta, como el espaciado de las barras transversales, el espaciado de las varillas de soporte de la cruceta, parámetros materiales, materiales principales, barras transversales, y dimensiones de la sección transversal del acero en ángulo. Ante esta situación, Primero se debe realizar un diseño empírico para determinar la forma básica de la torre., obtener el esquema de diseño inicial, y luego realizar un análisis de elementos finitos en este esquema. Antes de realizar un análisis de elementos finitos, es necesario simplificar la estructura y realizar únicamente análisis de elementos finitos en los componentes que reflejen las principales propiedades mecánicas de la estructura.. Por ejemplo, en la torre de transmisión, los pernos de conexión, Las placas de conexión y los accesorios se pueden ignorar primero., y el marco de la torre se puede analizar, que no sólo puede centrarse en el comportamiento de tensión de la estructura, pero también evite desperdiciar demasiados recursos informáticos.

1.2 Modelado Geométrico
Una vez introducidos los parámetros fijos, la forma geométrica y los principales parámetros mecánicos del modelo de elementos finitos son básicamente fijos. Se utiliza principalmente para el análisis mecánico de parámetros establecidos., y no se puede utilizar para la optimización de variables clave de diseño.. La universalidad es pobre.. Este trabajo se centra en la optimización de los principales parámetros de diseño de la torre de transmisión.. Por lo tanto, es necesario adoptar el método de modelado paramétrico de elementos finitos. Según la idea del modelado paramétrico., basado en el lenguaje APDL, todo el módulo de la estructura de la torre se divide en cuatro partes en la estructura geométrica: material principal, material cruzado, placa del brazo transversal y material auxiliar del brazo transversal. El modelo geométrico se establece a su vez., y finalmente el modelo general se obtiene mediante “asamblea general”. El diagrama esquemático del modelado modular se muestra en la Figura. 1. En el proceso de modelado de este artículo., algunas dimensiones geométricas están parametrizadas, como la altura de la cruceta, espaciado de barras transversales, longitud del lado superior, espaciado del material auxiliar de la cruceta horizontal, Distancia del material auxiliar de la cruceta inclinada y dimensiones de la sección transversal.. El diagrama esquemático de las dimensiones parametrizadas se muestra en la Figura 2. En el esquema de diseño inicial., Todos los materiales de acero están configurados para acero Q235 con un límite elástico de 235 MPa.. El software de elementos finitos solo realiza cálculos numéricos.. En términos de sistema unitario., El usuario puede configurar un sistema de unidad cerrada por sí mismo.. Por conveniencia, Este artículo utiliza el sistema de unidades mm-ton-N-MPa en el análisis..

1.3 División de malla

La estructura de la torre de transmisión tiene muchas formas de conexión., y las formas de la sección transversal de los componentes son diversas, y la orientación y las condiciones generales de tensión son relativamente complejas.. El modelo de análisis de elementos finitos convencional simplifica la torre en un modelo de celosía espacial.. Los principales problemas son los siguientes.: Primero, Sólo se consideran la tensión axial y la compresión del material principal., pero en realidad, Además de la tensión y compresión axial., El material principal de la torre también soporta momentos de flexión y pares complejos.. Segundo, en la conexión del nodo, la bisagra simplificada no puede transmitir el momento flector. La conexión real de la torre suele estar conectada mediante pernos., soldadura, etc.. Las características específicas de la conexión rígida son ese momento flector., cortar, etc.. se puede transmitir en la conexión, mientras que la bisagra simplificada no puede reflejar completamente la conexión rígida real. Tercero, el modelo no puede mostrar completamente la tensión transversal del componente, y generalmente solo muestra la tensión del nodo del modelo de elementos finitos. Según las características de tensión de la torre de transmisión., Este artículo considera los efectos complejos de la tensión., compresión, flexión, y torsión en las varillas, y utiliza elementos de viga 3D (haz189) para modelar. Al mismo tiempo, Se consideran las diferencias en la forma de la sección transversal y la orientación de cada varilla., y la forma y dirección de la sección transversal están definidas. En el posprocesamiento de los resultados del análisis de elementos finitos., se extrae la tensión transversal, no sólo el estrés del nodo. Teniendo en cuenta las complejas condiciones de tensión de la placa transversal, el elemento de concha (cáscara63) se utiliza para mallar. El modelo de análisis de elementos finitos de unidad de viga-unidad de carcasa en 3D de este artículo puede evitar los problemas del modelo de armadura., Reflejan las complejas condiciones de tensión de los materiales principales y la conexión rígida de los puntos de conexión., Reflejar completamente la forma de la sección transversal de los componentes y mostrar la tensión de la sección transversal de los componentes., y puede reflejar completamente las características generales de tensión de la torre de transmisión..

1.4 Condiciones de contorno

Las cargas que soporta la torre de transmisión son relativamente complejas, incluyendo principalmente el peso propio, carga de viento, el efecto del conductor en la torre, y archivos adjuntos (capa de hielo, hardware, etc.). en adición, Es necesario considerar situaciones especiales como rotura de línea.. En el diseño de la torre., el cálculo de cargas es relativamente maduro, Y existen muchos programas de cálculo especiales que pueden calcular las condiciones de tensión de la torre en diversas condiciones de trabajo y condiciones meteorológicas., y luego equivalente a los puntos relevantes de la torre.. Este documento utiliza el “Sistema de cálculo de carga de tensión total MYLHZ” Calcular las condiciones de tensión de la torre bajo diversas condiciones de trabajo.. Cabe señalar que este programa puede calcular las condiciones de estrés de cientos de condiciones de trabajo.. Después de un análisis empírico preliminar, este artículo finalmente seleccionado 5 condiciones de trabajo relativamente severas para un análisis detallado. Estos 5 las condiciones de trabajo son las siguientes. condiciones de trabajo 13: viento fuerte, tensión desequilibrada, 0-viento grado; condiciones de trabajo 16: viento fuerte, tensión desequilibrada, 90-viento grado; condiciones de trabajo 25: capa de hielo, tensión equilibrada, 0-viento grado; condiciones de trabajo 78: cable roto, tensión desequilibrada, sin viento, conductor roto, 1, 3; condiciones de trabajo 87: instalación, equipo adyacente no colgado, 90-viento grado, conductor de tracción 1. Condiciones de contorno de fuerza relativa, la restricción de desplazamiento de la torre es relativamente simple, es decir, el fondo 4 los puntos están completamente restringidos.

1.5 Análisis y discusión de los resultados del modelo de elementos finitos.

Este artículo se basa principalmente en el criterio de resistencia al realizar análisis de elementos finitos en el esquema inicial., es decir, La tensión equivalente máxima de la estructura no puede exceder el límite elástico.. En este caso, la estructura se considera segura, de lo contrario se considera que la posibilidad de falla estructural es alta. Después del análisis, se encontró que en condiciones de trabajo 25, el desplazamiento máximo de la torre alcanzó los 384 mm y la tensión máxima equivalente fue de 330 MPa, que excedió el valor de rendimiento del material 235MPa. Por lo tanto, la posibilidad de falla estructural bajo estas condiciones de trabajo es relativamente alta. Ver figura 3 para detalles.

2 Diseño de optimización de la estructura de la torre de transmisión.

2.1 Introducción al diseño de optimización.
El diseño de optimización es una técnica para encontrar la solución de diseño óptima., que es encontrar la solución de diseño óptima que pueda lograr el objetivo de diseño bajo las restricciones. El software internacional a gran escala ANSYS proporciona un módulo de diseño de optimización y todas las opciones parametrizadas de ANSYS se pueden utilizar para el diseño de optimización.. El principal proceso de cálculo del diseño de optimización es el siguiente.: primero, inicializar las variables y establecer un modelo paramétrico. Entonces, según la función objetivo y las restricciones, combinar las variables de diseño para realizar cálculos y análisis de elementos finitos, Utilice el método de optimización de orden cero para realizar una búsqueda y optimización global., y luego juzgar la convergencia de los resultados.. Si convergencia, El cálculo finaliza y se obtiene el resultado de la optimización.; si no, ajustar las variables de diseño y recalcular hasta la convergencia..

2.2 Configuración de parámetros de optimización.
Según la idea básica del diseño de optimización., Los tres puntos clave del diseño de optimización incluyen la selección de variables de diseño., restricciones y funciones objetivo. Dado que se ha determinado la forma básica de la estructura de la torre, pero aún quedan muchos parámetros que se pueden diseñar, Se seleccionan algunos parámetros clave para la optimización.. Este artículo selecciona 16 variables como la longitud del lado inferior, longitud del lado superior, espaciado de barras transversales, y dimensiones de la sección transversal como variables de diseño.. La optimización se basa en el criterio de resistencia., entonces la selección de restricciones es relativamente simple, es decir, La tensión transversal máxima de varias unidades no puede exceder el límite elástico de 235 MPa..

2.3   Selección de función objetivo
Estructura inicial
La función objetivo de este artículo es relativamente simple., es decir, la masa total de la estructura. El propósito de la optimización es reducir la masa total de la estructura.. Según los resultados del análisis de elementos finitos de cada condición de trabajo., en las cinco condiciones laborales, el grado de peligro disminuye debido a las condiciones de trabajo. 25 a las condiciones de trabajo 78 y finalmente a las condiciones de trabajo. 87. Por prudencia, Este documento selecciona las condiciones de trabajo más peligrosas. (condiciones de trabajo 25) como condición de trabajo de optimización. Bajo esta condición de trabajo, El resultado de la optimización hará que la estructura tienda a ser más segura..

2.4   Configuración del algoritmo de optimización
El algoritmo de optimización de ANSYS convierte el problema de optimización restringido en un problema de optimización sin restricciones aproximando la función objetivo o agregando una función de penalización a la función objetivo.. Generalmente hay dos tipos de algoritmos., algoritmo de orden cero y algoritmo de primer orden [3]. El algoritmo de orden cero también se llama método directo., que no utiliza la información de la derivada parcial de primer orden. El algoritmo de primer orden también se llama método indirecto., que utiliza la información de la derivada parcial de primer orden. Generalmente hablando, el algoritmo de primer orden tiene una gran cantidad de cálculos y una alta precisión del resultado del cálculo, mientras que el algoritmo de orden cero tiene una pequeña cantidad de cálculo, una velocidad de operación rápida, y una baja precisión del resultado, pero básicamente puede resolver la mayoría de los proyectos.. Este artículo elige el algoritmo de orden cero.. El algoritmo de orden cero se ajusta a la función de respuesta de las variables de diseño., variables de estado, y funciones objetivas basadas en un cierto número de muestreos, y luego busca la solución óptima. Este documento establece el parámetro de control de bucle en 50. Después de configurar las variables de diseño, restricciones, funciones objetivas, algoritmos de optimización y otros parámetros, Se realiza optimización iterativa., y finalmente se obtienen los resultados de optimización, como se muestra en la tabla 1. Según la tabla 1, bajo la premisa de cumplir con el criterio de resistencia, la masa total de la estructura se reduce a aproximadamente 25t, con una reducción de hasta 30%.

3.5 Ideas de diseño de optimización estructural.

Del análisis estructural de elementos finitos anterior al diseño de optimización estructural, una idea universal se puede resumir. El primer paso es obtener el esquema de diseño inicial mediante diseño empírico.. Según los requisitos de diseño de la torre y las condiciones de diseño., La forma estructural básica y los parámetros básicos de la torre de transmisión se determinan primero en función de la experiencia.. La racionalidad del esquema de diseño inicial depende de la experiencia de diseño del diseñador.. El segundo paso es utilizar el análisis de elementos finitos para comprobar la resistencia.. Mejorar las partes no razonables que puedan existir en el esquema de diseño inicial.. El tercer paso es el diseño de optimización estructural., y encontrar la estructura óptima bajo la premisa de cumplir las restricciones. El diagrama esquemático de esta idea de optimización se muestra en la Figura. 4. lo tradicional “diseño preliminar-análisis y verificación-retorno modificación-análisis y verificación” El método de diseño empírico es ineficiente., pérdida de tiempo, y la estructura puede ser redundante y antieconómica. La idea de diseño de optimización propuesta en este artículo toma el diseño empírico como base original., Da rienda suelta a la creatividad subjetiva y la experiencia de diseño de los diseñadores., y se basa en el análisis y optimización de simulación de elementos finitos. Utiliza algoritmos de optimización modernos y utiliza la poderosa potencia informática de las computadoras para realizar análisis iterativos.. Puede encontrar la estructura más optimizada en menos tiempo., mejora enormemente la eficiencia del diseño, optimiza los resultados del diseño, ahorra tiempo y costes de recursos, y tiene buenos beneficios económicos.

3 Conclusión

Este artículo establece un modelo de análisis de elementos finitos de una torre de transmisión. (torre de cuatro tubos), a partir del cual se realizan el análisis de elementos finitos y el diseño de optimización estructural, y finalmente se obtiene un esquema de diseño de referencia. El modelo de elementos finitos está basado en el lenguaje APDL., realiza control paramétrico, tiene un alto grado de automatización, y puede adaptarse a diferentes alturas de torre, posiciones del travesaño, posiciones de cruceta, varios parámetros de sección transversal y parámetros de materiales de tipos de torres, proporcionando una referencia para el análisis de estructuras similares en el futuro. en adición, Este artículo también propone una idea general del diseño de torres., a saber, diseño empírico-análisis estructural de elementos finitos-diseño de optimización, lo que mejora la eficiencia del diseño y ahorra costos, y puede proporcionar una referencia para resolver problemas de ingeniería similares.