Analisis Elemen Terhingga dan Reka Bentuk Pengoptimuman Menara Penghantaran

abstrak:

Kertas kerja ini menggunakan kaedah analisis pengoptimuman elemen terhingga dan platform analisis perisian ANSYS untuk melaksanakan analisis elemen terhingga dan reka bentuk pengoptimuman pada menara penghantaran struktur (mengambil menara paip keluli sebagai contoh). Dalam analisis struktur, berdasarkan bahasa APDL, model unsur terhingga parametrik digunakan untuk melakukan analisis unsur terhingga pada kelakuan mekanikal skema reka bentuk awal di bawah pelbagai keadaan kerja, dan sifat mekanikal struktur di bawah keadaan kerja yang berbeza dinilai. Atas dasar ini, reka bentuk pengoptimuman diperkenalkan untuk mengoptimumkan skema reka bentuk awal. Di bawah premis memenuhi kriteria kekuatan, jumlah jisim struktur dioptimumkan dan dikurangkan sebanyak 30%. Sebagai tambahan, kertas ini juga mencadangkan idea umum reka bentuk menara: reka bentuk empirikal-elemen terhingga analisis struktur-reka bentuk pengoptimuman, yang meningkatkan kecekapan reka bentuk dan menjimatkan kos, dan boleh memberi rujukan untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan yang serupa. kata kunci: analisis unsur terhingga; reka bentuk parametrik; menara penghantaran; reka bentuk pengoptimuman struktur.

Latar belakang penyelidikan

Menara penghantaran adalah struktur galas beban yang penting dalam peralatan penghantaran kuasa. Keselamatan dan kestabilan mereka secara langsung akan menjejaskan operasi lancar keseluruhan sistem kuasa [1]. Beban pada menara penghantaran juga kompleks dan pelbagai. Biasanya, beban utama termasuk berat mati konduktor, daya angin, dan ais. Di bawah gandingan beban yang berbeza ini, menara harus mempunyai kekuatan mekanikal yang mencukupi untuk memastikan operasi normal sistem penghantaran [2]. Talian penghantaran tahap tinggi moden yang diwakili oleh penghantaran voltan ultra tinggi mempunyai keperluan yang semakin tinggi untuk sifat mekanikal dan keselamatan menara. kebakaran, adalah sangat penting untuk menjalankan analisis kekuatan struktur pada menara penghantaran untuk mengelakkan kerosakan serius pada menara.. Analisis mekanikal statik menara adalah asas untuk mengkaji sifat mekanikalnya. Kaedah reka bentuk struktur menara tradisional ialah reka bentuk empirikal, itu dia, pereka bentuk mula-mula mereka bentuk skema awal mengikut keperluan yang berkaitan, dan kemudian menyemak struktur secara manual. Jika ia tidak memenuhi keperluan sifat mekanikal, struktur diubah suai sekali lagi dan diperiksa semula, dan proses ini diulang sehingga skema reka bentuk akhir diperolehi. Kaedah reka bentuk ini tidak cekap, memakan masa, dan sangat bergantung pada tahap pengalaman pereka bentuk. Kaedah ini lebih sukar untuk digunakan dalam menghadapi struktur menara penghantaran yang semakin kompleks dan pelbagai. Dengan perkembangan mekanik pengiraan moden, analisis simulasi unsur terhingga telah banyak meningkatkan ketepatan dan kecekapan analisis. Kertas kerja ini memilih perisian ANSYS sebagai platform analisis untuk melaksanakan analisis elemen terhingga dan reka bentuk pengoptimuman pada menara penghantaran.

1 Analisis Elemen Terhingga Struktur Menara Penghantaran

1.1 Objek Kajian
Terdapat banyak jenis struktur menara penghantaran. Kertas kerja ini berhasrat untuk menganalisis struktur struktur menara penghantaran jenis yang lebih baru, menara paip keluli empat tiub. Menara ini ialah menara paip keluli bersudut 50° litar tunggal 220kV. Palang utama dan palangnya diperbuat daripada paip keluli. Menara itu setinggi 50m, dan kedudukan dan lebar ketiga-tiga lengan silang dalam arah ketinggian diketahui. Sebagai tambahan, semua maklumat lain tidak pasti, seperti jarak palang, jarak batang penyokong silang, parameter bahan, bahan-bahan utama, palang, dan dimensi keratan rentas keluli sudut. Memandangkan keadaan ini, reka bentuk empirikal perlu dijalankan terlebih dahulu untuk menentukan bentuk asas menara, mendapatkan skema reka bentuk awal, dan kemudian menjalankan analisis unsur terhingga pada skema ini. Sebelum menjalankan analisis unsur terhingga, adalah perlu untuk memudahkan struktur dan hanya menjalankan analisis unsur terhingga pada komponen yang mencerminkan sifat mekanikal utama struktur. Sebagai contoh, di menara penghantaran, bolt sambungan, plat sambungan dan lampiran boleh diabaikan dahulu, dan rangka menara boleh dianalisis, yang bukan sahaja boleh memberi tumpuan kepada tingkah laku tekanan struktur, tetapi juga mengelakkan pembaziran terlalu banyak sumber pengkomputeran.

1.2 Permodelan Geometri
Sebaik sahaja parameter tetap dimasukkan, bentuk geometri dan parameter mekanikal utama model unsur terhingga pada asasnya tetap. Ia digunakan terutamanya untuk analisis mekanikal parameter set, dan tidak boleh digunakan untuk pengoptimuman pembolehubah reka bentuk utama. Kesejagatan adalah miskin. Kertas kerja ini memberi tumpuan kepada pengoptimuman parameter reka bentuk utama menara penghantaran. kebakaran, adalah perlu untuk mengguna pakai kaedah pemodelan unsur terhingga parametrik. Mengikut idea pemodelan parametrik, berdasarkan bahasa APDL, keseluruhan modul struktur menara dibahagikan kepada empat bahagian dalam struktur geometri: bahan utama, bahan silang, plat lengan silang dan bahan bantu lengan silang. Model geometri diwujudkan mengikut giliran, dan akhirnya model keseluruhan diperolehi oleh “perhimpunan agung”. Gambarajah skematik pemodelan modular ditunjukkan dalam Rajah 1. Dalam proses pemodelan kertas kerja ini, beberapa dimensi geometri diparameterkan, seperti ketinggian silang lengan, jarak palang, panjang sisi atas, jarak bahan bantu silang silang melintang, jarak bahan bantu silang lengan condong dan dimensi keratan rentas. Gambar rajah skema bagi dimensi berparameter ditunjukkan dalam Rajah 2. Dalam skema reka bentuk awal, semua bahan keluli ditetapkan kepada keluli Q235 dengan kekuatan hasil 235MPa. Perisian elemen terhingga itu sendiri hanya melakukan pengiraan berangka. Dari segi sistem unit, pengguna boleh menetapkan sistem unit tertutup sendiri. Untuk kemudahan, kertas kerja ini menggunakan sistem unit mm-ton-N-MPa dalam analisis.

1.3 Pembahagian jaringan

Struktur menara penghantaran mempunyai banyak bentuk sambungan, dan bentuk keratan rentas komponen adalah pelbagai, dan orientasi dan keadaan tekanan keseluruhan adalah agak kompleks. Model analisis unsur terhingga konvensional memudahkan menara menjadi model kekuda spatial. Masalah utama adalah seperti berikut: pertama, hanya ketegangan paksi dan mampatan bahan utama dipertimbangkan, tetapi pada hakikatnya, sebagai tambahan kepada tegangan paksi dan mampatan, bahan utama menara juga menanggung momen lentur dan tork yang kompleks. kedua, pada sambungan nod, engsel yang dipermudahkan tidak boleh menghantar momen lentur. Sambungan menara sebenar biasanya disambungkan dengan bolt, kimpalan, dan lain-lain. Ciri sambungan tegar khusus ialah momen lentur itu, ricih, dan lain-lain. boleh dihantar pada sambungan, manakala engsel yang dipermudahkan tidak dapat mencerminkan sepenuhnya sambungan tegar sebenar. ketiga, model tidak dapat memaparkan tegasan keratan rentas komponen sepenuhnya, dan biasanya hanya memaparkan tegasan nod model unsur terhingga. Mengikut ciri tegasan menara penghantaran, kertas kerja ini mempertimbangkan kesan kompleks ketegangan, pemampatan, membengkok, dan kilasan pada batang, dan menggunakan elemen pancaran 3D (rasuk189) untuk pemodelan. Pada masa yang sama, perbezaan dalam bentuk keratan rentas dan orientasi setiap rod dipertimbangkan, dan bentuk dan arah keratan rentas ditakrifkan. Dalam pemprosesan pasca keputusan analisis unsur terhingga, tegasan keratan rentas diekstrak, bukan sekadar tekanan nod. Memandangkan keadaan tegasan kompleks plat lengan silang, unsur cangkerang (tempurung63) digunakan untuk meshing. Model analisis unsur terhingga unit rasuk 3D-unit cangkerang dalam kertas ini boleh mengelakkan masalah model kekuda, mencerminkan keadaan tegasan kompleks bahan utama dan sambungan tegar titik sambungan, mencerminkan sepenuhnya bentuk keratan rentas komponen dan memaparkan tegasan keratan rentas komponen, dan boleh mencerminkan sepenuhnya ciri tegasan keseluruhan menara penghantaran.

1.4 Syarat sempadan

Beban yang ditanggung oleh menara penghantaran agak kompleks, terutamanya termasuk berat diri, beban angin, kesan konduktor pada menara, dan lampiran (salutan ais, perkakasan, dan lain-lain.). Sebagai tambahan, situasi khas seperti pecah talian perlu dipertimbangkan. Dalam reka bentuk menara, pengiraan beban adalah agak matang, dan terdapat banyak program pengiraan khas yang boleh mengira keadaan tekanan menara di bawah pelbagai keadaan kerja dan keadaan meteorologi, dan kemudian bersamaan dengan titik menara yang berkaitan. Kertas ini menggunakan “Sistem pengiraan beban tegasan penuh MYLHZ” untuk mengira keadaan tegasan menara di bawah pelbagai keadaan kerja. Perlu diingatkan bahawa program ini boleh mengira keadaan tekanan beratus-ratus keadaan kerja. Selepas analisis empirikal awal, kertas ini akhirnya terpilih 5 keadaan kerja yang agak teruk untuk analisis terperinci. Ini 5 syarat kerja adalah seperti berikut. Keadaan bekerja 13: angin kuat, ketegangan yang tidak seimbang, 0-angin darjah; keadaan bekerja 16: angin kuat, ketegangan yang tidak seimbang, 90-angin darjah; keadaan bekerja 25: penutup ais, ketegangan yang seimbang, 0-angin darjah; keadaan bekerja 78: wayar putus, ketegangan yang tidak seimbang, tiada angin, konduktor rosak, 1, 3; keadaan bekerja 87: pemasangan, gear bersebelahan tidak digantung, 90-angin darjah, konduktor daya tarikan 1. Keadaan sempadan daya relatif, kekangan anjakan menara adalah agak mudah, itu dia, bahagian bawah 4 mata dikekang sepenuhnya.

1.5 Analisis dan perbincangan keputusan model elemen terhingga

Kertas ini terutamanya berdasarkan kriteria kekuatan semasa menjalankan analisis unsur terhingga pada skema awal, itu dia, tegasan setara maksimum struktur tidak boleh melebihi kekuatan hasil. Dalam kes ini, struktur itu dianggap selamat, jika tidak ia dianggap bahawa kemungkinan kegagalan struktur adalah tinggi. Selepas analisis, didapati bahawa dalam keadaan bekerja 25, anjakan maksimum menara mencapai 384mm dan tegasan setara maksimum ialah 330MPa, yang melebihi nilai hasil bahan 235MPa. kebakaran, kemungkinan kegagalan struktur di bawah keadaan kerja ini agak tinggi. Lihat Rajah 3 untuk butiran.

2 Reka bentuk pengoptimuman struktur menara penghantaran

2.1 Pengenalan kepada reka bentuk pengoptimuman
Reka bentuk pengoptimuman ialah teknik untuk mencari penyelesaian reka bentuk yang optimum, iaitu mencari penyelesaian reka bentuk optimum yang boleh mencapai matlamat reka bentuk di bawah kekangan. Perisian berskala besar antarabangsa ANSYS menyediakan modul reka bentuk pengoptimuman dan semua pilihan ANSYS berparameter boleh digunakan untuk reka bentuk pengoptimuman. Proses pengiraan utama reka bentuk pengoptimuman adalah seperti berikut: pertama, mulakan pembolehubah dan wujudkan model parametrik. Kemudian, mengikut fungsi objektif dan kekangan, menggabungkan pembolehubah reka bentuk untuk melaksanakan pengiraan dan analisis unsur terhingga, gunakan kaedah pengoptimuman tertib sifar untuk melakukan carian dan pengoptimuman global, dan kemudian menilai penumpuan keputusan. Jika penumpuan, pengiraan tamat dan hasil pengoptimuman diperolehi; jika tidak, laraskan pembolehubah reka bentuk dan kira semula sehingga penumpuan..

2.2 Penetapan parameter pengoptimuman
Mengikut idea asas reka bentuk pengoptimuman, tiga perkara utama reka bentuk pengoptimuman termasuk pemilihan pembolehubah reka bentuk, kekangan dan fungsi objektif. Oleh kerana bentuk asas struktur menara telah ditentukan, tetapi masih terdapat banyak parameter yang boleh direka, beberapa parameter utama dipilih untuk pengoptimuman. Kertas ini memilih 16 pembolehubah seperti panjang sisi bawah, panjang sisi atas, jarak palang, dan dimensi keratan rentas sebagai pembolehubah reka bentuk. Pengoptimuman adalah berdasarkan kriteria kekuatan, jadi pemilihan kekangan adalah agak mudah, itu dia, tegasan keratan rentas maksimum pelbagai unit tidak boleh melebihi kekuatan hasil 235MPa.

2.3   Pemilihan fungsi objektif
Struktur awal
Fungsi objektif kertas ini agak mudah, itu dia, jumlah jisim struktur. Tujuan pengoptimuman adalah untuk mengurangkan jumlah jisim struktur. Mengikut keputusan analisis unsur terhingga setiap keadaan kerja, dalam lima keadaan kerja, tahap bahaya berkurangan daripada keadaan bekerja 25 kepada keadaan bekerja 78 dan akhirnya kepada keadaan bekerja 87. Demi berhemah, kertas ini memilih keadaan kerja yang paling berbahaya (keadaan bekerja 25) sebagai keadaan kerja pengoptimuman. Di bawah keadaan kerja ini, hasil pengoptimuman akan menjadikan struktur cenderung lebih selamat.

2.4   Menetapkan algoritma pengoptimuman
Algoritma pengoptimuman ANSYS menukarkan masalah pengoptimuman yang terhad kepada masalah pengoptimuman tanpa kekangan dengan menghampiri fungsi objektif atau menambah fungsi penalti pada fungsi objektif. Biasanya terdapat dua jenis algoritma, algoritma tertib sifar dan algoritma tertib pertama [3]. Algoritma tertib sifar juga dipanggil kaedah langsung, yang tidak menggunakan maklumat terbitan separa urutan pertama. Algoritma urutan pertama juga dipanggil kaedah tidak langsung, yang menggunakan maklumat terbitan separa urutan pertama. Secara umumnya, algoritma urutan pertama mempunyai jumlah pengiraan yang besar dan ketepatan tinggi hasil pengiraan, manakala algoritma tertib sifar mempunyai jumlah pengiraan yang kecil, kelajuan operasi yang pantas, dan ketepatan keputusan yang rendah, tetapi pada asasnya ia boleh menyelesaikan kebanyakan projek. Kertas ini memilih algoritma tertib sifar. Algoritma tertib sifar sesuai dengan fungsi tindak balas pembolehubah reka bentuk, keadaan pembolehubah, dan fungsi objektif berdasarkan bilangan persampelan tertentu, dan kemudian mencari penyelesaian yang optimum. Kertas ini menetapkan parameter kawalan gelung kepada 50. Selepas menetapkan pembolehubah reka bentuk, kekangan, fungsi objektif, algoritma pengoptimuman dan parameter lain, pengoptimuman berulang dilakukan, dan keputusan pengoptimuman akhirnya diperolehi, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1. Mengikut Jadual 1, di bawah premis memenuhi kriteria kekuatan, jumlah jisim struktur dikurangkan kepada kira-kira 25t, dengan pengurangan sehingga 30%.

3.5 Idea reka bentuk pengoptimuman struktur

Daripada analisis elemen terhingga struktur di atas kepada reka bentuk pengoptimuman struktur, idea sejagat boleh diringkaskan. Langkah pertama ialah mendapatkan skema reka bentuk awal melalui reka bentuk empirikal. Mengikut keperluan reka bentuk menara dan keadaan reka bentuk, bentuk struktur asas dan parameter asas menara penghantaran pertama kali ditentukan berdasarkan pengalaman. Rasionalitas skema reka bentuk awal bergantung pada pengalaman reka bentuk pereka. Langkah kedua ialah menggunakan analisis unsur terhingga untuk memeriksa kekuatan. Memperbaik bahagian yang tidak munasabah yang mungkin wujud dalam skema reka bentuk awal. Langkah ketiga ialah reka bentuk pengoptimuman struktur, dan cari struktur optimum di bawah premis memenuhi kekangan. Gambarajah skematik idea pengoptimuman ini ditunjukkan dalam Rajah 4. Yang tradisional “reka bentuk awal-analisis dan pengesahan-pengubahsuaian pulangan-analisis dan pengesahan” kaedah reka bentuk empirikal tidak cekap, memakan masa, dan strukturnya mungkin berlebihan dan tidak ekonomik. Idea reka bentuk pengoptimuman yang dicadangkan dalam kertas ini mengambil reka bentuk empirikal sebagai asas asal, memberikan permainan sepenuhnya kepada kreativiti subjektif dan pengalaman reka bentuk pereka, dan berdasarkan analisis dan pengoptimuman simulasi unsur terhingga. Ia menggunakan algoritma pengoptimuman moden dan menggunakan kuasa pengkomputeran komputer yang berkuasa untuk melakukan analisis berulang. Ia boleh mencari struktur yang paling dioptimumkan dalam masa yang lebih singkat, sangat meningkatkan kecekapan reka bentuk, mengoptimumkan hasil reka bentuk, menjimatkan masa dan kos sumber, dan mempunyai faedah ekonomi yang baik.

3 Kesimpulan

Kertas ini menetapkan model analisis unsur terhingga bagi menara penghantaran (menara empat tiub), berdasarkan analisis elemen terhingga dan reka bentuk pengoptimuman struktur dijalankan, dan akhirnya skema reka bentuk rujukan diperolehi. Model elemen terhingga adalah berdasarkan bahasa APDL, merealisasikan kawalan parametrik, mempunyai tahap automasi yang tinggi, dan boleh menyesuaikan diri dengan ketinggian menara yang berbeza, kedudukan palang, kedudukan silang lengan, pelbagai parameter keratan rentas dan parameter bahan jenis menara, menyediakan rujukan untuk analisis struktur yang serupa pada masa hadapan. Sebagai tambahan, kertas ini juga mencadangkan idea umum reka bentuk menara, iaitu, reka bentuk empirikal-elemen terhingga analisis struktur-reka bentuk pengoptimuman, yang meningkatkan kecekapan reka bentuk dan menjimatkan kos, dan boleh memberi rujukan untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan yang serupa.