تحلیل المان محدود و طراحی بهینه سازی برج های انتقال

چکیده:

این مقاله از روش تحلیل بهینه سازی اجزا محدود و پلت فرم تحلیل نرم افزار ANSYS برای انجام تحلیل اجزا محدود و طراحی بهینه سازی بر روی انتقال برج ساختار (برج لوله فولادی را به عنوان مثال در نظر بگیرید). در تحلیل ساختاری, بر اساس زبان APDL, یک مدل المان محدود پارامتری برای انجام تحلیل اجزای محدود بر روی رفتار مکانیکی طرح اولیه طراحی تحت شرایط کاری مختلف استفاده می‌شود., و خواص مکانیکی سازه تحت شرایط کاری مختلف ارزیابی می شود. بر این اساس, طراحی بهینه سازی برای بهینه سازی طرح طراحی اولیه معرفی شده است. با فرض رعایت معیار قدرت, جرم کل سازه بهینه و کاهش می یابد 30%. علاوه بر این, این مقاله همچنین یک ایده کلی از طراحی برج را پیشنهاد می کند: طراحی تجربی - تحلیل سازه المان محدود - طراحی بهینه سازی, که باعث بهبود کارایی طراحی و صرفه جویی در هزینه ها می شود, و می تواند مرجعی برای حل مسائل مهندسی مشابه ارائه دهد. کلید واژه ها: تحلیل المان محدود; طراحی پارامتریک; انتقال برج; طراحی بهینه سازی سازه.

پیشینه تحقیق

دکل های انتقال از سازه های باربر مهم در تجهیزات انتقال نیرو هستند. ایمنی و پایداری آنها مستقیماً بر عملکرد روان کل سیستم قدرت تأثیر می گذارد [1]. بارهای روی دکل های انتقال نیز پیچیده و متنوع هستند. معمولا, بارهای اصلی شامل وزن مرده هادی ها است, نیروی باد, و یخ. تحت کوپلینگ این بارهای مختلف, دکل ها باید از استحکام مکانیکی کافی برای اطمینان از عملکرد عادی سیستم انتقال برخوردار باشند [2]. خطوط انتقال سطح بالا مدرن که با انتقال ولتاژ فوق العاده بالا نشان داده می شوند، به طور فزاینده ای نیازهای بیشتری برای خواص مکانیکی و ایمنی برج ها دارند.. از این رو, انجام تجزیه و تحلیل مقاومت سازه بر روی دکل های انتقال برای جلوگیری از آسیب جدی به دکل ها از اهمیت عملی بالایی برخوردار است.. آنالیز مکانیکی استاتیک برج ها مبنایی برای بررسی خواص مکانیکی آنهاست. روش سنتی طراحی سازه برج، طراحی تجربی است, به این معنا که, طراح ابتدا یک طرح اولیه را با توجه به الزامات مربوطه طراحی می کند, و سپس به صورت دستی ساختار را بررسی می کند. اگر الزامات خواص مکانیکی را برآورده نکند, ساختار دوباره اصلاح شده و دوباره بررسی می شود, و این روند تا حصول طرح طراحی نهایی تکرار می شود. این روش طراحی ناکارآمد است, وقت گیر, و به شدت به سطح تجربه طراح وابسته است. این روش در مواجهه با ساختارهای پیچیده و متنوع دکل های انتقال حتی دشوارتر است. با توسعه مکانیک محاسباتی مدرن, تجزیه و تحلیل شبیه سازی المان محدود تا حد زیادی دقت و کارایی تحلیل را بهبود بخشیده است. این مقاله نرم‌افزار ANSYS را به‌عنوان بستر تحلیلی برای انجام تحلیل اجزا محدود و طراحی بهینه‌سازی بر روی دکل‌های انتقال انتخاب می‌کند..

1 تحلیل المان محدود سازه برج انتقال

1.1 هدف تحقیق
انواع مختلفی از سازه های برج انتقال وجود دارد. این مقاله قصد دارد ساختار یک نوع جدیدتر سازه برج انتقال را تحلیل کند, برج لوله فولادی چهار لوله. این برج یک برج لوله فولادی 220 کیلوولت تک مدار با زاویه 50 درجه است. میلگردهای اصلی و عرضی آن از لوله های فولادی ساخته شده است. ارتفاع این برج 50 متر است, و موقعیت و عرض سه بازوهای متقاطع در جهت ارتفاع مشخص است. علاوه بر این, تمام اطلاعات دیگر نامشخص است, مانند فاصله میله های عرضی, فاصله میله های پشتیبانی بازوهای متقاطع, پارامترهای مواد, مواد اصلی, میله های عرضی, و ابعاد مقطع فولادی زاویه. با توجه به این وضعیت, ابتدا باید طراحی تجربی برای تعیین شکل اصلی برج انجام شود, طرح اولیه طراحی را بدست آورید, و سپس آنالیز اجزای محدود را روی این طرح انجام دهید. قبل از انجام تحلیل المان محدود, لازم است سازه ساده شود و تنها بر روی اجزایی که خواص مکانیکی اصلی سازه را منعکس می کنند، تجزیه و تحلیل اجزای محدود انجام شود.. مثلا, در دکل انتقال, پیچ های اتصال, صفحات اتصال و پیوست ها را می توان ابتدا نادیده گرفت, و قاب برج قابل تحلیل است, که نه تنها می تواند بر رفتار تنشی سازه تمرکز کند, بلکه از هدر دادن بیش از حد منابع محاسباتی نیز خودداری کنید.

1.2 مدل سازی هندسی
پس از وارد شدن پارامترهای ثابت, شکل هندسی و پارامترهای مکانیکی اصلی مدل اجزای محدود اساساً ثابت هستند. این عمدتا برای تجزیه و تحلیل مکانیکی پارامترهای مجموعه استفاده می شود, و نمی توان برای بهینه سازی متغیرهای کلیدی طراحی استفاده کرد. جهانی بودن ضعیف است. این مقاله بر روی بهینه سازی پارامترهای طراحی اصلی دکل انتقال تمرکز دارد. از این رو, لازم است از روش مدلسازی اجزای محدود پارامتری استفاده شود. با توجه به ایده مدل سازی پارامتریک, بر اساس زبان APDL, کل ماژول سازه برج در ساختار هندسی به چهار قسمت تقسیم می شود: مواد اصلی, مواد متقابل, صفحه بازوی متقاطع و مواد کمکی بازوی متقاطع. مدل هندسی به نوبه خود ایجاد می شود, و در نهایت مدل کلی به دست می آید “مجمع عمومی”. نمودار شماتیک مدلسازی مدولار در شکل نشان داده شده است 1. در فرآیند مدلسازی این مقاله, برخی از ابعاد هندسی پارامتری هستند, مانند ارتفاع ضربدری, فاصله میله های متقاطع, طول سمت بالا, فاصله مواد کمکی بازوهای متقاطع افقی, فاصله مواد کمکی بازو متقاطع و ابعاد مقطع. نمودار شماتیک ابعاد پارامتر شده در شکل نشان داده شده است 2. در طرح اولیه طراحی, تمام مواد فولادی روی فولاد Q235 با قدرت تسلیم 235 مگاپاسکال تنظیم شده است. خود نرم افزار اجزای محدود فقط محاسبات عددی را انجام می دهد. از نظر سیستم واحد, کاربر می تواند یک سیستم واحد بسته را به تنهایی تنظیم کند. برای راحتی, این مقاله از سیستم واحد mm-ton-N-MPa در تجزیه و تحلیل استفاده می کند.

1.3 تقسیم مش

ساختار برج انتقال دارای اشکال اتصال بسیاری است, و اشکال مقطعی اجزاء متنوع است, و جهت گیری و شرایط تنش کلی نسبتا پیچیده است. مدل تحلیل المان محدود مرسوم، برج را به یک مدل خرپایی فضایی ساده می‌کند. مشکلات اصلی به شرح زیر است: اولین, فقط کشش محوری و فشرده سازی ماده اصلی در نظر گرفته می شود, اما در واقعیت, علاوه بر کشش و فشار محوری, مواد اصلی برج نیز دارای گشتاورهای خمشی پیچیده است. دومین, در اتصال گره, لولای ساده شده نمی تواند ممان خمشی را منتقل کند. اتصال واقعی برج معمولاً توسط پیچ و مهره وصل می شود, جوشکاری, و غیره. ویژگی های اتصال صلب خاص همان لحظه خمشی است, برشی, و غیره. در اتصال قابل انتقال است, در حالی که لولای ساده شده نمی تواند به طور کامل اتصال سفت و سخت واقعی را منعکس کند. سوم, مدل نمی تواند تنش مقطعی قطعه را به طور کامل نمایش دهد, و معمولا فقط تنش گره مدل المان محدود را نمایش می دهد. با توجه به ویژگی های تنش دکل انتقال, این مقاله اثرات پیچیده تنش را در نظر می گیرد, فشرده سازی, خم, و پیچ خوردگی روی میله ها, و از عناصر پرتو سه بعدی استفاده می کند (پرتو189) برای مدل سازی. همزمان, تفاوت در شکل مقطع و جهت هر میله در نظر گرفته شده است, و شکل مقطع و جهت آن تعریف شده است. در پس پردازش نتایج تحلیل المان محدود, تنش مقطعی استخراج می شود, نه فقط استرس گره. با در نظر گرفتن شرایط تنش پیچیده صفحه بازوی متقاطع, عنصر پوسته (shell63) برای مش بندی استفاده می شود. مدل تحلیل المان محدود واحد پوسته تیر سه بعدی در این مقاله می تواند از مشکلات مدل خرپایی جلوگیری کند., منعکس کننده شرایط تنش پیچیده مواد اصلی و اتصال صلب نقاط اتصال است, شکل مقطع اجزا را به طور کامل منعکس می کند و تنش مقطعی اجزا را نمایش می دهد, و می تواند به طور کامل مشخصات تنش کلی دکل انتقال را منعکس کند.

1.4 شرایط مرزی

بارهای تحمل شده توسط دکل انتقال نسبتاً پیچیده است, عمدتا از جمله وزن خود, بار باد, تاثیر هادی بر روی برج, و پیوست ها (پوشش یخی, سخت افزار, و غیره.). علاوه بر این, شرایط خاص مانند شکست خط باید در نظر گرفته شود. در طراحی برج, محاسبه بارها نسبتاً بالغ است, و بسیاری از برنامه های محاسباتی ویژه وجود دارد که می تواند شرایط تنش برج را در شرایط مختلف کاری و شرایط جوی محاسبه کند., و سپس معادل نقاط مربوطه برج. این مقاله از “سیستم محاسبه بار تنش کامل MYLHZ” برای محاسبه شرایط تنش برج در شرایط کاری مختلف. لازم به ذکر است که این برنامه می تواند شرایط استرس صدها شرایط کاری را محاسبه کند. پس از تجزیه و تحلیل تجربی اولیه, این مقاله در نهایت انتخاب شد 5 شرایط کاری نسبتاً شدید برای تجزیه و تحلیل دقیق. اینها 5 شرایط کار به شرح زیر است. شرایط کار 13: باد شدید, تنش نامتعادل, 0-باد درجه; شرایط کاری 16: باد شدید, تنش نامتعادل, 90-باد درجه; شرایط کاری 25: پوشش یخی, تنش متعادل, 0-باد درجه; شرایط کاری 78: سیم شکسته, تنش نامتعادل, بدون باد, هادی شکسته, 1, 3; شرایط کاری 87: نصب و راه اندازی, دنده مجاور آویزان نیست, 90-باد درجه, هادی کششی 1. شرایط مرزی نیروی نسبی, محدودیت جابجایی برج نسبتا ساده است, به این معنا که, پایین 4 نقاط به طور کامل محدود شده اند.

1.5 تجزیه و تحلیل و بحث در مورد نتایج مدل المان محدود

این مقاله عمدتاً بر اساس معیار مقاومت در هنگام انجام تجزیه و تحلیل المان محدود بر روی طرح اولیه است, به این معنا که, حداکثر تنش معادل سازه نمی تواند از مقاومت تسلیم تجاوز کند. در این مورد, سازه ایمن در نظر گرفته می شود, در غیر این صورت احتمال خرابی سازه زیاد است. پس از تجزیه و تحلیل, مشخص شد که در شرایط کار 25, حداکثر جابجایی برج به 384 میلی متر و حداکثر تنش معادل 330 مگا پاسکال رسید., که از مقدار بازده ماده 235MPa فراتر رفت. از این رو, احتمال خرابی سازه در این شرایط کاری نسبتاً زیاد است. شکل را ببینید 3 برای جزئیات.

2 طراحی بهینه سازه برج انتقال

2.1 مقدمه ای بر طراحی بهینه سازی
طراحی بهینه سازی تکنیکی برای یافتن راه حل طراحی بهینه است, که یافتن راه حل طراحی بهینه است که بتواند به هدف طراحی تحت محدودیت ها دست یابد. نرم افزار بین المللی مقیاس بزرگ ANSYS یک ماژول طراحی بهینه سازی را ارائه می دهد و همه گزینه های ANSYS پارامتر شده را می توان برای طراحی بهینه سازی استفاده کرد.. فرآیند اصلی محاسبات طراحی بهینه سازی به شرح زیر است: اول, متغیرها را مقداردهی اولیه کنید و یک مدل پارامتریک ایجاد کنید. سپس, با توجه به تابع هدف و قیود, ترکیب متغیرهای طراحی برای انجام محاسبات و تحلیل اجزا محدود, از روش بهینه سازی مرتبه صفر برای انجام جستجو و بهینه سازی جهانی استفاده کنید, و سپس در مورد همگرایی نتایج قضاوت کنید. اگر همگرایی, محاسبات به پایان می رسد و نتیجه بهینه سازی به دست می آید; اگر نه, متغیرهای طراحی را تنظیم کرده و تا زمان همگرایی دوباره محاسبه کنید..

2.2 تنظیم پارامترهای بهینه سازی
با توجه به ایده اصلی طراحی بهینه سازی, سه نکته کلیدی طراحی بهینه سازی شامل انتخاب متغیرهای طراحی است, محدودیت ها و توابع هدف. از آنجایی که شکل اصلی سازه برج مشخص شده است, اما هنوز پارامترهای زیادی وجود دارد که می توان طراحی کرد, برخی از پارامترهای کلیدی برای بهینه سازی انتخاب شده اند. این مقاله انتخاب می کند 16 متغیرهایی مانند طول ضلع پایین, طول سمت بالا, فاصله میله های متقاطع, و ابعاد مقطع به عنوان متغیرهای طراحی. بهینه سازی بر اساس معیار قدرت است, بنابراین انتخاب محدودیت نسبتا ساده است, به این معنا که, حداکثر تنش مقطعی واحدهای مختلف نمی تواند از قدرت تسلیم 235 مگاپاسکال تجاوز کند.

2.3   انتخاب تابع هدف
ساختار اولیه
تابع هدف این مقاله نسبتاً ساده است, به این معنا که, جرم کل سازه. هدف از بهینه سازی کاهش جرم کل سازه است. با توجه به نتایج تحلیل المان محدود هر شرایط کاری, در پنج شرایط کاری, درجه خطر از شرایط کار کاهش می یابد 25 به شرایط کاری 78 و در نهایت به شرایط کاری 87. به خاطر احتیاط, این مقاله خطرناک ترین شرایط کاری را انتخاب می کند (شرایط کاری 25) به عنوان شرایط کاری بهینه سازی. تحت این شرایط کاری, نتیجه بهینه سازی باعث می شود که سازه ایمن تر باشد.

2.4   تنظیم الگوریتم بهینه سازی
الگوریتم بهینه سازی ANSYS با تقریب تابع هدف یا افزودن یک تابع جریمه به تابع هدف، مسئله بهینه سازی محدود را به یک مسئله بهینه سازی نامحدود تبدیل می کند.. معمولا دو نوع الگوریتم وجود دارد, الگوریتم مرتبه صفر و الگوریتم مرتبه اول [3]. الگوریتم مرتبه صفر روش مستقیم نیز نامیده می شود, که از اطلاعات مشتق جزئی مرتبه اول استفاده نمی کند. الگوریتم مرتبه اول را روش غیر مستقیم نیز می نامند, که از اطلاعات مشتق جزئی مرتبه اول استفاده می کند. به طور کلی, الگوریتم مرتبه اول مقدار زیادی محاسبه و دقت بالایی در نتیجه محاسبات دارد., در حالی که الگوریتم مرتبه صفر مقدار کمی محاسبه دارد, سرعت عملیات سریع, و دقت پایین نتیجه, اما اساساً می تواند اکثر پروژه ها را حل کند. این مقاله الگوریتم مرتبه صفر را انتخاب می کند. الگوریتم مرتبه صفر با تابع پاسخ متغیرهای طراحی مطابقت دارد, متغیرهای حالت, و توابع هدف بر اساس تعداد معینی نمونه برداری, و سپس به دنبال راه حل بهینه است. این مقاله پارامتر کنترل حلقه را بر روی تنظیم می کند 50. پس از تنظیم متغیرهای طراحی, محدودیت ها, توابع هدف, الگوریتم های بهینه سازی و سایر پارامترها, بهینه سازی تکراری انجام می شود, و در نهایت نتایج بهینه سازی به دست می آید, همانطور که در جدول نشان داده شده است 1. طبق جدول 1, با فرض رعایت معیار قدرت, جرم کل سازه به حدود 25 تن کاهش می یابد, با کاهش تا 30%.

3.5 ایده های طراحی بهینه سازی سازه

از تحلیل المان محدود سازه ای بالا تا طراحی بهینه سازی سازه, یک ایده جهانی را می توان خلاصه کرد. اولین گام، به دست آوردن طرح اولیه طراحی از طریق طراحی تجربی است. با توجه به الزامات طراحی برج و شرایط طراحی, شکل اصلی سازه و پارامترهای اساسی دکل انتقال ابتدا بر اساس تجربه تعیین می شود. منطقی بودن طرح طراحی اولیه به تجربه طراحی طراح بستگی دارد. مرحله دوم استفاده از تحلیل اجزا محدود برای بررسی استحکام است. قطعات غیر منطقی که ممکن است در طرح اولیه طراحی وجود داشته باشد را بهبود بخشید. مرحله سوم طراحی بهینه سازی سازه است, و ساختار بهینه را با فرض برآوردن محدودیت ها پیدا کنید. نمودار شماتیک این ایده بهینه سازی در شکل نشان داده شده است 4. سنتی “طراحی اولیه - تجزیه و تحلیل و تأیید - اصلاح بازگشت - تجزیه و تحلیل و تأیید” روش طراحی تجربی ناکارآمد است, وقت گیر, و ساختار ممکن است اضافی و غیراقتصادی باشد. ایده طراحی بهینه‌سازی ارائه شده در این مقاله، طراحی تجربی را به عنوان مبنای اصلی می‌گیرد, به خلاقیت ذهنی و تجربه طراحی طراحان بازی کامل می دهد, و مبتنی بر تحلیل و بهینه سازی شبیه سازی المان محدود است. از الگوریتم های بهینه سازی مدرن استفاده می کند و از قدرت محاسباتی قدرتمند رایانه ها برای انجام تحلیل های تکراری استفاده می کند. می تواند بهینه ترین ساختار را در مدت زمان کوتاه تری پیدا کند, راندمان طراحی را تا حد زیادی بهبود می بخشد, نتایج طراحی را بهینه می کند, باعث صرفه جویی در زمان و هزینه های منابع می شود, و دارای منافع اقتصادی خوبی است.

3 نتیجه گیری

این مقاله یک مدل تحلیل المان محدود از یک برج انتقال ایجاد می کند (برج چهار لوله ای), بر اساس آن تحلیل المان محدود و طراحی بهینه سازی سازه انجام می شود, و در نهایت یک طرح طراحی مرجع به دست می آید. مدل المان محدود بر اساس زبان APDL است, کنترل پارامتریک را متوجه می شود, دارای درجه بالایی از اتوماسیون است, و می تواند با ارتفاعات مختلف برج سازگار شود, موقعیت های میله متقاطع, موقعیت های متقاطع, پارامترهای مختلف مقطع و پارامترهای مواد انواع برج, ارائه مرجعی برای تحلیل ساختارهای مشابه در آینده. علاوه بر این, این مقاله همچنین یک ایده کلی از طراحی برج را پیشنهاد می کند, یعنی, طراحی تجربی - تحلیل سازه المان محدود - طراحی بهینه سازی, که باعث بهبود کارایی طراحی و صرفه جویی در هزینه ها می شود, و می تواند مرجعی برای حل مسائل مهندسی مشابه ارائه دهد.