Analisi agli elementi finiti e progettazione di ottimizzazione delle torri di trasmissione

Astratto:

Questo documento utilizza il metodo di analisi di ottimizzazione degli elementi finiti e la piattaforma di analisi software ANSYS per eseguire l'analisi degli elementi finiti e la progettazione di ottimizzazione sul torre di trasmissione struttura (prendendo come esempio la torre di tubi d'acciaio). Nell'analisi strutturale, basato sul linguaggio APDL, viene utilizzato un modello parametrico agli elementi finiti per eseguire l'analisi degli elementi finiti sul comportamento meccanico dello schema di progettazione iniziale in varie condizioni di lavoro, e vengono valutate le proprietà meccaniche della struttura in diverse condizioni di lavoro. Su questa base, il progetto di ottimizzazione viene introdotto per ottimizzare lo schema di progettazione iniziale. Con la premessa di soddisfare il criterio di resistenza, la massa totale della struttura è ottimizzata e ridotta di 30%. Inoltre, questo articolo propone anche un'idea generale di progettazione della torre: progettazione empirica-analisi strutturale agli elementi finiti-progettazione di ottimizzazione, che migliora l’efficienza della progettazione e consente di risparmiare sui costi, e può fornire un riferimento per risolvere problemi tecnici simili. parole: analisi agli elementi finiti; progettazione parametrica; torre di trasmissione; progettazione di ottimizzazione strutturale.

Contesto della ricerca

Le torri di trasmissione sono importanti strutture portanti nelle apparecchiature di trasmissione di potenza. La loro sicurezza e stabilità influenzeranno direttamente il buon funzionamento dell'intero sistema energetico [1]. Anche i carichi sulle torri di trasmissione sono complessi e diversificati. Generalmente, i carichi principali comprendono il peso proprio dei conduttori, forza del vento, e ghiaccio. Sotto l'accoppiamento di questi diversi carichi, le torri dovrebbero avere una resistenza meccanica sufficiente per garantire il normale funzionamento del sistema di trasmissione [2]. Le moderne linee di trasmissione ad alto livello rappresentate dalla trasmissione ad altissima tensione hanno requisiti sempre più elevati per le proprietà meccaniche e la sicurezza delle torri. Perciò, è di grande importanza pratica condurre analisi di resistenza strutturale sulle torri di trasmissione per evitare gravi danni alle torri. L'analisi meccanica statica delle torri è la base per lo studio delle loro proprietà meccaniche. Il metodo tradizionale di progettazione della struttura a torre è la progettazione empirica, questo è, il progettista progetta innanzitutto uno schema iniziale in base ai requisiti pertinenti, e poi controlla manualmente la struttura. Se non soddisfa i requisiti delle proprietà meccaniche, la struttura viene nuovamente modificata e verificata nuovamente, e questo processo viene ripetuto fino all'ottenimento dello schema progettuale finale. Questo metodo di progettazione è inefficiente, richiede tempo, e fortemente dipendente dal livello di esperienza del progettista. Questo metodo è ancora più difficile da utilizzare a fronte di strutture sempre più complesse e diversificate di torri di trasmissione. Con lo sviluppo della moderna meccanica computazionale, L'analisi di simulazione degli elementi finiti ha notevolmente migliorato la precisione e l'efficienza dell'analisi. Questo articolo seleziona il software ANSYS come piattaforma di analisi per eseguire analisi agli elementi finiti e progettazione di ottimizzazione sulle torri di trasmissione.

1 Analisi agli elementi finiti della struttura della torre di trasmissione

1.1 Oggetto di ricerca
Esistono molti tipi di strutture di torri di trasmissione. Questo articolo intende analizzare la struttura di un nuovo tipo di struttura della torre di trasmissione, la torre di tubi d'acciaio a quattro tubi. Questa torre è una torre in tubo d'acciaio con angolo di 50° a circuito singolo da 220 kV. Le sue traverse principali e trasversali sono realizzate con tubi d'acciaio. La torre è alta 50 metri, e sono note la posizione e la larghezza delle tre traverse nella direzione dell'altezza. Inoltre, tutte le altre informazioni sono incerte, come la spaziatura delle traverse, la spaziatura delle aste di supporto della traversa, parametri del materiale, materiali principali, traverse, e dimensioni della sezione trasversale dell'acciaio angolare. In considerazione di questa situazione, La progettazione empirica dovrebbe essere effettuata innanzitutto per determinare la forma base della torre, ottenere lo schema di progettazione iniziale, e quindi condurre l'analisi degli elementi finiti su questo schema. Prima di condurre l'analisi agli elementi finiti, è necessario semplificare la struttura e condurre analisi agli elementi finiti solo sui componenti che riflettono le principali proprietà meccaniche della struttura. Per esempio, nella torre di trasmissione, i bulloni di collegamento, le piastre di connessione e gli accessori possono essere ignorati per primi, e il telaio della torre può essere analizzato, che non può concentrarsi solo sul comportamento tensionale della struttura, ma evita anche di sprecare troppe risorse informatiche.

1.2 Modellazione geometrica
Una volta immessi i parametri fissi, la forma geometrica e i principali parametri meccanici del modello agli elementi finiti sono sostanzialmente fissi. Viene utilizzato principalmente per l'analisi meccanica dei parametri impostati, e non può essere utilizzato per l'ottimizzazione delle variabili chiave della progettazione. L'universalità è scarsa. Questo articolo si concentra sull'ottimizzazione dei principali parametri di progettazione della torre di trasmissione. Perciò, è necessario adottare il metodo di modellazione parametrica agli elementi finiti. Secondo l'idea della modellazione parametrica, basato sul linguaggio APDL, l'intero modulo della struttura della torre è diviso in quattro parti nella struttura geometrica: materiale principale, materiale trasversale, piastra del braccio trasversale e materiale ausiliario del braccio trasversale. A sua volta viene stabilito il modello geometrico, e infine il modello complessivo si ottiene da “assemblea generale”. Il diagramma schematico della modellazione modulare è mostrato in Figura 1. Nel processo di modellazione di questo articolo, alcune dimensioni geometriche sono parametrizzate, come l'altezza della traversa, spaziatura delle traverse, lunghezza del lato superiore, spaziatura del materiale ausiliario della traversa orizzontale, spaziatura del materiale ausiliario della traversa inclinata e dimensioni della sezione trasversale. Il diagramma schematico delle dimensioni parametrizzate è mostrato in Figura 2. Nello schema di progettazione iniziale, tutti i materiali in acciaio sono impostati su acciaio Q235 con un limite di snervamento di 235 MPa. Il software agli elementi finiti esegue solo calcoli numerici. In termini di sistema di unità, l'utente può impostare autonomamente un sistema di unità chiuse. Per comodità, questo documento utilizza il sistema di unità mm-ton-N-MPa nell'analisi.

1.3 Divisione delle maglie

La struttura della torre di trasmissione ha molte forme di connessione, e le forme in sezione trasversale dei componenti sono diverse, e l'orientamento e le condizioni di stress complessive sono relativamente complesse. Il modello di analisi convenzionale agli elementi finiti semplifica la torre in un modello spaziale a traliccio. I problemi principali sono i seguenti: Prima, vengono considerate solo la tensione assiale e la compressione del materiale principale, ma in realtà, oltre alla tensione assiale e alla compressione, il materiale principale della torre sopporta anche momenti flettenti e coppie complesse. Secondo, alla connessione del nodo, la cerniera semplificata non può trasmettere momento flettente. Il collegamento effettivo della torre è solitamente collegato tramite bulloni, saldatura, eccetera. Le caratteristiche specifiche della connessione rigida sono quel momento flettente, taglio, eccetera. possono essere trasmessi alla connessione, mentre la cerniera semplificata non può riflettere pienamente l'effettiva connessione rigida. Terzo, il modello non può visualizzare completamente la sollecitazione della sezione trasversale del componente, e di solito mostra solo la sollecitazione del nodo del modello agli elementi finiti. Secondo le caratteristiche di sollecitazione della torre di trasmissione, questo articolo considera i complessi effetti della tensione, compressione, curvatura, e torsione sulle aste, e utilizza elementi trave 3D (fascio189) per la modellistica. Allo stesso tempo, vengono prese in considerazione le differenze nella forma della sezione trasversale e nell'orientamento di ciascuna asta, e la forma e la direzione della sezione trasversale sono definite. Nella post-elaborazione dei risultati dell'analisi agli elementi finiti, viene estratta la sollecitazione della sezione trasversale, non solo lo stress del nodo. Considerando le complesse condizioni di sollecitazione della piastra della traversa, l'elemento shell (shell63) viene utilizzato per la mesh. Il modello di analisi degli elementi finiti dell'unità trave-involucro 3D in questo documento può evitare i problemi del modello traliccio, riflettono le complesse condizioni di stress dei principali materiali e la connessione rigida dei punti di connessione, riflettono completamente la forma della sezione trasversale dei componenti e mostrano lo stress della sezione trasversale dei componenti, e può riflettere pienamente le caratteristiche di sollecitazione complessive della torre di trasmissione.

1.4 Condizioni al contorno

I carichi sopportati dalla torre di trasmissione sono relativamente complessi, includendo principalmente il peso proprio, carico del vento, l'effetto del conduttore sulla torre, e allegati (rivestimento di ghiaccio, hardware, ecc.). Inoltre, è necessario considerare situazioni speciali come la rottura della linea. Nella progettazione della torre, il calcolo dei carichi è relativamente maturo, ed esistono molti programmi di calcolo speciali in grado di calcolare le condizioni di stress della torre in varie condizioni di lavoro e condizioni meteorologiche, e quindi equivalenti ai punti rilevanti della torre. Questo documento utilizza il “Sistema di calcolo del carico di sollecitazione completo MYLHZ” calcolare le condizioni di stress della torre nelle varie condizioni di lavoro. Va notato che questo programma può calcolare le condizioni di stress di centinaia di condizioni di lavoro. Dopo l'analisi empirica preliminare, questo documento finalmente selezionato 5 condizioni di lavoro relativamente severe per un'analisi dettagliata. Questi 5 le condizioni di lavoro sono le seguenti. Condizioni di lavoro 13: vento forte, tensione sbilanciata, 0-vento di grado; condizione di lavoro 16: vento forte, tensione sbilanciata, 90-vento di grado; condizione di lavoro 25: copertura di ghiaccio, tensione equilibrata, 0-vento di grado; condizione di lavoro 78: B1.5.1 Requisiti di progettazione L'unità sollecita le aste e le connessioni per il calcolo del progetto strutturale, tensione sbilanciata, senza vento, conduttore rotto, 1, 3; condizione di lavoro 87: installazione, ingranaggio adiacente non appeso, 90-vento di grado, conduttore di trazione 1. Condizioni al contorno delle forze relative, il vincolo di spostamento della torre è relativamente semplice, questo è, il fondo 4 i punti sono completamente vincolati.

1.5 Analisi e discussione dei risultati del modello agli elementi finiti

Questo documento si basa principalmente sul criterio di resistenza durante l'esecuzione dell'analisi degli elementi finiti sullo schema iniziale, questo è, la massima sollecitazione equivalente della struttura non può superare il limite di snervamento. In questo caso, la struttura è considerata sicura, in caso contrario si ritiene che la possibilità di cedimento strutturale sia elevata. Dopo l'analisi, è stato riscontrato che funzionava 25, lo spostamento massimo della torre ha raggiunto 384 mm e la massima sollecitazione equivalente è stata di 330 MPa, che ha superato il valore di snervamento del materiale 235MPa. Perciò, la possibilità di cedimento strutturale in queste condizioni di lavoro è relativamente alta. Vedere la figura 3 per i dettagli.

2 Progettazione di ottimizzazione della struttura della torre di trasmissione

2.1 Introduzione al progetto di ottimizzazione
La progettazione di ottimizzazione è una tecnica per trovare la soluzione progettuale ottimale, ovvero trovare la soluzione progettuale ottimale in grado di raggiungere l'obiettivo progettuale rispettando i vincoli. Il software internazionale su larga scala ANSYS fornisce un modulo di progettazione di ottimizzazione e tutte le opzioni ANSYS parametrizzate possono essere utilizzate per la progettazione di ottimizzazione. Il processo di calcolo principale della progettazione di ottimizzazione è il seguente: Primo, inizializzare le variabili e stabilire un modello parametrico. Poi, in base alla funzione obiettivo e ai vincoli, combinare le variabili di progettazione per eseguire calcoli e analisi agli elementi finiti, utilizzare il metodo di ottimizzazione di ordine zero per eseguire la ricerca e l'ottimizzazione globali, e poi giudicare la convergenza dei risultati. Se convergenza, il calcolo termina e si ottiene il risultato dell'ottimizzazione; se non, regolare le variabili di progettazione e ricalcolare fino alla convergenza..

2.2 Impostazione dei parametri di ottimizzazione
Secondo l'idea di base del design di ottimizzazione, i tre punti chiave della progettazione di ottimizzazione includono la selezione delle variabili di progettazione, Vincoli e funzioni obiettivo. Da quando è stata determinata la forma base della struttura della torre, ma ci sono ancora molti parametri che possono essere progettati, alcuni parametri chiave vengono selezionati per l'ottimizzazione. Questo documento seleziona 16 variabili come la lunghezza del lato inferiore, lunghezza del lato superiore, spaziatura delle traverse, e dimensioni della sezione trasversale come variabili di progettazione. L'ottimizzazione si basa sul criterio della resistenza, quindi la selezione del vincolo è relativamente semplice, questo è, la massima sollecitazione trasversale delle varie unità non può superare il carico di snervamento di 235 MPa.

2.3   Selezione della funzione obiettivo
Struttura iniziale
La funzione oggettiva di questo documento è relativamente semplice, questo è, la massa totale della struttura. Lo scopo dell'ottimizzazione è ridurre la massa totale della struttura. Secondo i risultati dell'analisi agli elementi finiti di ciascuna condizione di lavoro, nelle cinque condizioni di lavoro, il grado di pericolo diminuisce a seconda delle condizioni di lavoro 25 alla condizione di lavoro 78 e infine alle condizioni di lavoro 87. Per motivi di prudenza, questo documento seleziona la condizione di lavoro più pericolosa (condizione di lavoro 25) come condizione di lavoro di ottimizzazione. In queste condizioni di lavoro, il risultato dell'ottimizzazione renderà la struttura tendenzialmente più sicura.

2.4   Impostazione dell'algoritmo di ottimizzazione
L'algoritmo di ottimizzazione ANSYS converte il problema di ottimizzazione vincolata in un problema di ottimizzazione non vincolata approssimando la funzione obiettivo o aggiungendo una funzione di penalità alla funzione obiettivo. Di solito ci sono due tipi di algoritmi, Algoritmo di ordine zero e algoritmo del primo ordine [3]. L'algoritmo di ordine zero è anche chiamato metodo diretto, che non utilizza le informazioni sulla derivata parziale del primo ordine. L'algoritmo del primo ordine è anche chiamato metodo indiretto, che utilizza le informazioni sulla derivata parziale del primo ordine. Parlando in generale, l'algoritmo del primo ordine prevede una grande quantità di calcoli e un'elevata precisione del risultato del calcolo, mentre l'algoritmo di ordine zero prevede una piccola quantità di calcoli, una velocità operativa elevata, e una bassa precisione del risultato, ma sostanzialmente può risolvere la maggior parte dei progetti. Questo articolo sceglie l'algoritmo di ordine zero. L'algoritmo di ordine zero si adatta alla funzione di risposta delle variabili di progettazione, variabili di stato, e funzioni obiettivo basate su un certo numero di campionamenti, e poi cerca la soluzione ottimale. Questo documento imposta il parametro di controllo del loop su 50. Dopo aver impostato le variabili di progettazione, vincoli, funzioni oggettive, algoritmi di ottimizzazione e altri parametri, viene eseguita l'ottimizzazione iterativa, e si ottengono finalmente i risultati di ottimizzazione, come mostrato nella tabella 1. Secondo la tabella 1, con la premessa di soddisfare il criterio di resistenza, la massa totale della struttura si riduce a circa 25t, con una riduzione fino a 30%.

3.5 Idee progettuali di ottimizzazione strutturale

Dall'analisi strutturale agli elementi finiti di cui sopra alla progettazione di ottimizzazione strutturale, si può riassumere un’idea universale. Il primo passo è ottenere lo schema di progettazione iniziale attraverso la progettazione empirica. Secondo i requisiti di progettazione della torre e le condizioni di progettazione, la forma strutturale di base e i parametri di base della torre di trasmissione vengono innanzitutto determinati in base all'esperienza. La razionalità dello schema progettuale iniziale dipende dall'esperienza progettuale del progettista. Il secondo passaggio consiste nell'utilizzare l'analisi degli elementi finiti per verificare la resistenza. Migliorare le parti irragionevoli che possono esistere nello schema di progettazione iniziale. Il terzo passo è la progettazione dell'ottimizzazione strutturale, e trovare la struttura ottimale con la premessa di soddisfare i vincoli. Il diagramma schematico di questa idea di ottimizzazione è mostrato in Figura 4. Il tradizionale “progettazione preliminare-analisi e verifica-restituzione modifica-analisi e verifica” il metodo di progettazione empirica è inefficiente, richiede tempo, e la struttura può essere ridondante e antieconomica. L'idea progettuale di ottimizzazione proposta in questo documento prende la progettazione empirica come base originale, dà pieno spazio alla creatività soggettiva e all'esperienza progettuale dei designer, e si basa sull'analisi e sull'ottimizzazione della simulazione degli elementi finiti. Utilizza moderni algoritmi di ottimizzazione e sfrutta la potente potenza di calcolo dei computer per eseguire analisi iterative. Può trovare la struttura più ottimizzata in un tempo più breve, migliora notevolmente l'efficienza del design, ottimizza i risultati della progettazione, consente di risparmiare tempo e costi di risorse, e ha buoni vantaggi economici.

3 Conclusione

Questo articolo stabilisce un modello di analisi agli elementi finiti di una torre di trasmissione (torre a quattro tubi), in base al quale vengono effettuate l'analisi agli elementi finiti e la progettazione di ottimizzazione strutturale, e infine si ottiene uno schema progettuale di riferimento. Il modello agli elementi finiti è basato sul linguaggio APDL, realizza il controllo parametrico, ha un alto grado di automazione, e può adattarsi a diverse altezze della torre, posizioni della traversa, posizioni delle traverse, vari parametri della sezione trasversale e parametri del materiale dei tipi di torri, fornendo un riferimento per l’analisi di strutture simili in futuro. Inoltre, questo articolo propone anche un'idea generale di progettazione della torre, vale a dire, progettazione empirica-analisi strutturale agli elementi finiti-progettazione di ottimizzazione, che migliora l’efficienza della progettazione e consente di risparmiare sui costi, e può fornire un riferimento per risolvere problemi tecnici simili.