Analisis Elemen Hingga dan Desain Optimasi Menara Transmisi

Abstrak:

Makalah ini menggunakan metode analisis optimasi elemen hingga dan platform analisis perangkat lunak ANSYS untuk melakukan analisis elemen hingga dan desain optimasi pada menara transmisi struktur (mengambil menara pipa baja sebagai contoh). Dalam analisis struktural, berdasarkan bahasa APDL, model elemen hingga parametrik digunakan untuk melakukan analisis elemen hingga pada perilaku mekanis skema desain awal dalam berbagai kondisi kerja, dan sifat mekanik struktur dalam kondisi kerja yang berbeda dievaluasi. Atas dasar ini, desain optimasi diperkenalkan untuk mengoptimalkan skema desain awal. Di bawah premis memenuhi kriteria kekuatan, total massa struktur dioptimalkan dan dikurangi sebesar 30%. Sebagai tambahan, tulisan ini juga mengusulkan gambaran umum desain menara: desain empiris-desain analisis-optimasi struktur elemen hingga, yang meningkatkan efisiensi desain dan menghemat biaya, dan dapat memberikan referensi untuk menyelesaikan permasalahan teknik serupa. Kata kunci: analisis elemen hingga; desain parametrik; menara transmisi; desain optimasi struktural.

Latar belakang penelitian

Menara transmisi adalah struktur penahan beban yang penting dalam peralatan transmisi tenaga. Keamanan dan stabilitasnya akan secara langsung mempengaruhi kelancaran pengoperasian seluruh sistem tenaga listrik [1]. Beban pada menara transmisi juga kompleks dan beragam. Biasanya, beban utama termasuk bobot mati konduktor, kekuatan angin, dan es. Di bawah kopling beban yang berbeda-beda, menara harus memiliki kekuatan mekanik yang cukup untuk memastikan pengoperasian normal sistem transmisi [2]. Saluran transmisi tingkat tinggi modern yang diwakili oleh transmisi tegangan ultra tinggi memiliki persyaratan yang semakin tinggi terhadap sifat mekanik dan keamanan menara. Karena itu, sangat penting secara praktis untuk melakukan analisis kekuatan struktural pada menara transmisi untuk menghindari kerusakan serius pada menara. Analisis mekanis statis menara adalah dasar untuk mempelajari sifat mekaniknya. Metode desain struktur menara tradisional adalah desain empiris, itu adalah, perancang pertama-tama merancang skema awal sesuai dengan kebutuhan yang relevan, dan kemudian secara manual memeriksa strukturnya. Jika tidak memenuhi persyaratan sifat mekanik, strukturnya dimodifikasi lagi dan diperiksa lagi, dan proses ini diulangi hingga diperoleh skema desain akhir. Metode desain ini tidak efisien, memakan waktu, dan sangat bergantung pada tingkat pengalaman desainer. Metode ini semakin sulit dilakukan mengingat struktur menara transmisi yang semakin kompleks dan beragam. Dengan berkembangnya mekanika komputasi modern, analisis simulasi elemen hingga telah sangat meningkatkan akurasi dan efisiensi analisis. Makalah ini memilih perangkat lunak ANSYS sebagai platform analisis untuk melakukan analisis elemen hingga dan desain optimasi pada menara transmisi.

1 Analisis Elemen Hingga Struktur Menara Transmisi

1.1 Objek Penelitian
Ada banyak jenis struktur menara transmisi. Tulisan ini bermaksud untuk menganalisis struktur struktur menara transmisi tipe baru, menara pipa baja empat tabung. Menara ini adalah menara pipa baja sudut 50° sirkuit tunggal 220kV. Palang utama dan palangnya terbuat dari pipa baja. Menara ini tingginya 50m, dan diketahui posisi serta lebar ketiga lengan melintang terhadap arah ketinggian. Sebagai tambahan, semua informasi lainnya tidak pasti, seperti jarak palang, jarak batang penyangga lengan silang, parameter bahan, bahan utama, palang melintang, dan dimensi penampang baja sudut. Mengingat situasi ini, perlu dilakukan perancangan empiris terlebih dahulu untuk menentukan bentuk dasar menara, mendapatkan skema desain awal, dan kemudian melakukan analisis elemen hingga pada skema ini. Sebelum melakukan analisis elemen hingga, perlu dilakukan penyederhanaan struktur dan hanya melakukan analisis elemen hingga pada komponen yang mencerminkan sifat mekanik utama struktur. Sebagai contoh, di menara transmisi, baut sambungan, pelat sambungan dan attachment dapat diabaikan terlebih dahulu, dan rangka menara dapat dianalisis, yang tidak hanya bisa fokus pada perilaku tegangan struktur, tetapi juga menghindari pemborosan sumber daya komputasi yang terlalu banyak.

1.2 Pemodelan Geometris
Setelah parameter tetap dimasukkan, bentuk geometris dan parameter mekanis utama model elemen hingga pada dasarnya tetap. Hal ini terutama digunakan untuk analisis mekanis parameter yang ditetapkan, dan tidak dapat digunakan untuk optimalisasi variabel desain utama. Universalitasnya buruk. Makalah ini berfokus pada optimalisasi parameter desain utama menara transmisi. Karena itu, perlu mengadopsi metode pemodelan elemen hingga parametrik. Sesuai dengan ide pemodelan parametrik, berdasarkan bahasa APDL, seluruh modul struktur menara dibagi menjadi empat bagian dalam struktur geometris: bahan utama, bahan silang, pelat lengan silang dan bahan pembantu lengan silang. Model geometris dibentuk pada gilirannya, dan akhirnya diperoleh model keseluruhan “Majelis Umum”. Diagram skema pemodelan modular ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam proses pemodelan makalah ini, beberapa dimensi geometris diparameterisasi, seperti tinggi lengan silang, jarak palang, panjang sisi atas, jarak bahan bantu crossarm horizontal, jarak bahan pembantu lengan melintang miring dan dimensi penampang. Diagram skema dimensi berparameter ditunjukkan pada Gambar 2. Dalam skema desain awal, semua material baja disetel ke baja Q235 dengan kekuatan luluh 235MPa. Perangkat lunak elemen hingga sendiri hanya melakukan perhitungan numerik. Dalam hal sistem satuan, pengguna dapat mengatur sendiri sistem unit tertutup. Untuk kenyamanan, makalah ini menggunakan sistem satuan mm-ton-N-MPa dalam analisisnya.

1.3 Divisi jala

Struktur menara transmisi memiliki banyak bentuk sambungan, dan bentuk penampang komponennya beragam, dan orientasi serta kondisi stres secara keseluruhan relatif kompleks. Model analisis elemen hingga konvensional menyederhanakan menara menjadi model rangka spasial. Masalah utamanya adalah sebagai berikut: Pertama, hanya tegangan aksial dan kompresi material utama yang dipertimbangkan, tapi kenyataannya, selain tegangan aksial dan kompresi, material utama menara juga mempunyai momen lentur dan torsi yang kompleks. Kedua, pada sambungan simpul, engsel yang disederhanakan tidak dapat meneruskan momen lentur. Sambungan menara sebenarnya biasanya dihubungkan dengan baut, pengelasan, dll. Ciri-ciri sambungan kaku yang spesifik adalah momen lentur, mencukur, dll. dapat ditransmisikan pada sambungan tersebut, sedangkan engsel yang disederhanakan tidak dapat sepenuhnya mencerminkan sambungan kaku yang sebenarnya. Ketiga, model tidak dapat sepenuhnya menampilkan tegangan penampang komponen, dan biasanya hanya menampilkan tegangan simpul model elemen hingga. Menurut karakteristik tegangan menara transmisi, makalah ini membahas efek kompleks dari ketegangan, kompresi, pembengkokan, dan torsi pada batang, dan menggunakan elemen sinar 3D (balok189) untuk pemodelan. Pada waktu bersamaan, perbedaan bentuk penampang dan orientasi masing-masing batang dipertimbangkan, dan bentuk serta arah penampang ditentukan. Pada pasca pengolahan hasil analisis elemen hingga, tegangan penampang diekstraksi, bukan hanya stres simpul. Mengingat kondisi tegangan kompleks pada pelat lengan silang, elemen cangkang (cangkang63) digunakan untuk meshing. Model analisis elemen hingga unit balok-unit cangkang 3D pada makalah ini dapat menghindari permasalahan pada model rangka, mencerminkan kondisi tegangan kompleks dari bahan utama dan sambungan kaku dari titik sambungan, sepenuhnya mencerminkan bentuk penampang komponen dan menampilkan tegangan penampang komponen, dan dapat sepenuhnya mencerminkan karakteristik tegangan keseluruhan menara transmisi.

1.4 Kondisi batas

Beban yang ditanggung menara transmisi relatif kompleks, terutama termasuk bobot diri, beban angin, pengaruh konduktor pada menara, dan lampiran (lapisan es, perangkat keras, dan lain-lain). Sebagai tambahan, situasi khusus seperti putusnya saluran perlu dipertimbangkan. Dalam desain menara, perhitungan bebannya relatif matang, dan terdapat banyak program perhitungan khusus yang dapat menghitung kondisi tegangan menara dalam berbagai kondisi kerja dan kondisi meteorologi, dan kemudian setara dengan titik-titik menara yang relevan. Makalah ini menggunakan “Sistem perhitungan beban tegangan penuh MYLHZ” untuk menghitung kondisi tegangan menara dalam berbagai kondisi kerja. Perlu dicatat bahwa program ini dapat menghitung kondisi stres dari ratusan kondisi kerja. Setelah analisis empiris awal, makalah ini akhirnya dipilih 5 kondisi kerja yang relatif parah untuk analisis rinci. Ini 5 kondisi kerja adalah sebagai berikut. Kondisi kerja 13: angin kencang, ketegangan yang tidak seimbang, 0-derajat angin; kondisi kerja 16: angin kencang, ketegangan yang tidak seimbang, 90-derajat angin; kondisi kerja 25: lapisan es, ketegangan yang seimbang, 0-derajat angin; kondisi kerja 78: kawat rusak, ketegangan yang tidak seimbang, tidak ada angin, konduktor rusak, 1, 3; kondisi kerja 87: instalasi, gigi yang berdekatan tidak digantung, 90-derajat angin, konduktor traksi 1. Kondisi batas gaya relatif, kendala perpindahan menara relatif sederhana, itu adalah, bagian bawah 4 poin sepenuhnya dibatasi.

1.5 Analisis dan pembahasan hasil model elemen hingga

Makalah ini terutama didasarkan pada kriteria kekuatan ketika melakukan analisis elemen hingga pada skema awal, itu adalah, tegangan ekivalen maksimum struktur tidak boleh melebihi kekuatan luluh. Pada kasus ini, strukturnya dianggap aman, jika tidak, kemungkinan kegagalan struktural dianggap tinggi. Setelah analisis, ditemukan bahwa dalam kondisi kerja 25, perpindahan maksimum menara mencapai 384mm dan tegangan setara maksimum adalah 330MPa, yang melebihi nilai hasil material 235MPa. Karena itu, kemungkinan kegagalan struktural pada kondisi kerja ini relatif tinggi. Lihat Gambar 3 untuk detailnya.

2 Desain optimasi struktur menara transmisi

2.1 Pengantar desain optimasi
Desain optimasi adalah teknik untuk menemukan solusi desain yang optimal, yaitu menemukan solusi desain optimal yang dapat mencapai tujuan desain dalam batasan. Perangkat lunak berskala besar internasional ANSYS menyediakan modul desain optimasi dan semua opsi ANSYS yang diparameterisasi dapat digunakan untuk desain optimasi. Proses perhitungan utama desain optimasi adalah sebagai berikut: Pertama, menginisialisasi variabel dan membuat model parametrik. Kemudian, sesuai dengan fungsi tujuan dan batasannya, menggabungkan variabel desain untuk melakukan perhitungan dan analisis elemen hingga, gunakan metode optimasi urutan nol untuk melakukan pencarian dan optimasi global, dan kemudian menilai konvergensi hasilnya. Jika konvergensi, perhitungan berakhir dan diperoleh hasil optimasi; jika tidak, sesuaikan variabel desain dan hitung ulang hingga konvergensi..

2.2 Pengaturan parameter optimasi
Sesuai dengan ide dasar desain optimasi, tiga poin utama desain optimasi mencakup pemilihan variabel desain, batasan dan fungsi tujuan. Karena bentuk dasar struktur menara telah ditentukan, namun masih banyak parameter yang dapat dirancang, beberapa parameter utama dipilih untuk pengoptimalan. Makalah ini memilih 16 variabel seperti panjang sisi bawah, panjang sisi atas, jarak palang, dan dimensi cross-sectional sebagai variabel desain. Optimalisasi didasarkan pada kriteria kekuatan, jadi pemilihan batasannya relatif sederhana, itu adalah, tegangan penampang maksimum berbagai unit tidak boleh melebihi kekuatan luluh 235MPa.

2.3   Pemilihan fungsi tujuan
Struktur awal
Fungsi tujuan makalah ini relatif sederhana, itu adalah, total massa struktur. Tujuan optimasi adalah untuk mengurangi massa total struktur. Sesuai dengan hasil analisis elemen hingga setiap kondisi kerja, dalam lima kondisi kerja, tingkat bahaya berkurang dari kondisi kerja 25 ke kondisi kerja 78 dan akhirnya ke kondisi kerja 87. Demi kehati-hatian, makalah ini memilih kondisi kerja yang paling berbahaya (kondisi kerja 25) sebagai kondisi kerja optimasi. Dalam kondisi kerja ini, hasil optimasi akan membuat struktur cenderung lebih aman.

2.4   Mengatur algoritma optimasi
Algoritma optimasi ANSYS mengubah masalah optimasi yang dibatasi menjadi masalah optimasi yang tidak dibatasi dengan mengaproksimasi fungsi tujuan atau menambahkan fungsi penalti ke fungsi tujuan.. Biasanya ada dua jenis algoritma, algoritma orde nol dan algoritma orde pertama [3]. Algoritma zero-order disebut juga metode langsung, yang tidak menggunakan informasi turunan parsial orde pertama. Algoritma orde pertama disebut juga metode tidak langsung, yang menggunakan informasi turunan parsial orde pertama. Secara umum, algoritma orde pertama mempunyai jumlah perhitungan yang besar dan ketelitian hasil perhitungan yang tinggi, sedangkan algoritma zero-order memiliki jumlah perhitungan yang sedikit, kecepatan operasi yang cepat, dan presisi hasil yang rendah, tetapi pada dasarnya ini dapat menyelesaikan sebagian besar proyek. Makalah ini memilih algoritma zero-order. Algoritme orde nol sesuai dengan fungsi respons variabel desain, variabel keadaan, dan fungsi tujuan berdasarkan sejumlah sampel tertentu, dan kemudian mencari solusi optimal. Makalah ini menyetel parameter kontrol loop ke 50. Setelah mengatur variabel desain, kendala, fungsi obyektif, algoritma optimasi dan parameter lainnya, optimasi berulang dilakukan, dan akhirnya diperoleh hasil optimasi, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Menurut Tabel 1, di bawah premis memenuhi kriteria kekuatan, total massa struktur berkurang menjadi sekitar 25t, dengan pengurangan hingga 30%.

3.5 Ide desain optimasi struktural

Dari analisis elemen hingga struktur di atas hingga desain optimasi struktur, ide universal dapat diringkas. Langkah pertama adalah memperoleh skema desain awal melalui desain empiris. Sesuai dengan persyaratan desain menara dan kondisi desain, bentuk struktur dasar dan parameter dasar menara transmisi ditentukan terlebih dahulu berdasarkan pengalaman. Rasionalitas skema desain awal bergantung pada pengalaman desain desainer. Langkah kedua adalah menggunakan analisis elemen hingga untuk memeriksa kekuatannya. Memperbaiki bagian-bagian yang tidak masuk akal yang mungkin ada pada skema desain awal. Langkah ketiga adalah desain optimasi struktural, dan menemukan struktur optimal dengan premis untuk memenuhi kendala. Diagram skema ide optimasi ini ditunjukkan pada Gambar 4. Yang tradisional “analisis desain awal dan verifikasi-pengembalian modifikasi-analisis dan verifikasi” metode desain empiris tidak efisien, memakan waktu, dan strukturnya mungkin berlebihan dan tidak ekonomis. Ide desain optimasi yang diusulkan dalam makalah ini mengambil desain empiris sebagai dasar aslinya, memberikan permainan penuh pada kreativitas subjektif dan pengalaman desain para desainer, dan didasarkan pada analisis dan optimasi simulasi elemen hingga. Ia menggunakan algoritma optimasi modern dan menggunakan kekuatan komputasi komputer yang kuat untuk melakukan analisis berulang. Ia dapat menemukan struktur yang paling optimal dalam waktu yang lebih singkat, sangat meningkatkan efisiensi desain, mengoptimalkan hasil desain, menghemat waktu dan biaya sumber daya, dan mempunyai manfaat ekonomi yang baik.

3 Kesimpulan

Makalah ini menetapkan model analisis elemen hingga menara transmisi (menara empat tabung), berdasarkan analisis elemen hingga dan desain optimasi struktural yang dilakukan, dan akhirnya diperoleh skema desain referensi. Model elemen hingga didasarkan pada bahasa APDL, menyadari kontrol parametrik, memiliki otomatisasi tingkat tinggi, dan dapat beradaptasi dengan ketinggian menara yang berbeda, posisi mistar gawang, posisi menyilang, berbagai parameter penampang dan parameter material jenis menara, memberikan referensi untuk analisis struktur serupa di masa depan. Sebagai tambahan, tulisan ini juga mengusulkan gambaran umum desain menara, yaitu, desain empiris-desain analisis-optimasi struktur elemen hingga, yang meningkatkan efisiensi desain dan menghemat biaya, dan dapat memberikan referensi untuk menyelesaikan permasalahan teknik serupa.