Análise de Elementos Finitos e Projeto de Otimização de Torres de Transmissão

Resumo:

Este artigo usa o método de análise de otimização de elementos finitos e a plataforma de análise de software ANSYS para realizar análise de elementos finitos e projeto de otimização no torre de transmissão estrutura (tomando a torre de tubos de aço como exemplo). Na análise estrutural, baseado na linguagem APDL, um modelo paramétrico de elementos finitos é usado para realizar análises de elementos finitos no comportamento mecânico do esquema de projeto inicial sob várias condições de trabalho, e as propriedades mecânicas da estrutura sob diferentes condições de trabalho são avaliadas. Nesta base, o projeto de otimização é introduzido para otimizar o esquema de projeto inicial. Sob a premissa de atender ao critério de força, a massa total da estrutura é otimizada e reduzida em 30%. além do que, além do mais, este artigo também propõe uma ideia geral de projeto de torre: projeto empírico - análise estrutural de elementos finitos - projeto de otimização, o que melhora a eficiência do projeto e economiza custos, e pode fornecer uma referência para resolver problemas de engenharia semelhantes. Palavras-chave: análise de elementos finitos; projeto paramétrico; torre de transmissão; projeto de otimização estrutural.

Histórico de pesquisa

As torres de transmissão são importantes estruturas de suporte em equipamentos de transmissão de energia. Sua segurança e estabilidade afetarão diretamente o bom funcionamento de todo o sistema de energia [1]. As cargas nas torres de transmissão também são complexas e diversas. Deve-se considerar também o fato de que o vento pode desviar o gelo em queda, as cargas principais incluem o peso morto dos condutores, força do vento, e gelo. Sob o acoplamento dessas diferentes cargas, as torres devem ter resistência mecânica suficiente para garantir o funcionamento normal do sistema de transmissão [2]. As modernas linhas de transmissão de alto nível representadas pela transmissão de ultra-alta tensão têm requisitos cada vez mais elevados para as propriedades mecânicas e segurança das torres. Assim sendo, é de grande importância prática realizar análises de resistência estrutural em torres de transmissão para evitar danos graves às torres. A análise mecânica estática de torres é a base para o estudo de suas propriedades mecânicas. O método tradicional de projeto de estrutura de torre é o projeto empírico, isso é, o projetista primeiro projeta um esquema inicial de acordo com os requisitos relevantes, e então verifica manualmente a estrutura. Se não atender aos requisitos de propriedades mecânicas, a estrutura é modificada novamente e verificada novamente, e este processo é repetido até que o esquema de projeto final seja obtido. Este método de design é ineficiente, demorado, e altamente dependente do nível de experiência do designer. Este método é ainda mais difícil de trabalhar diante de estruturas cada vez mais complexas e diversificadas de torres de transmissão. Com o desenvolvimento da mecânica computacional moderna, a análise de simulação de elementos finitos melhorou muito a precisão e a eficiência da análise. Este artigo seleciona o software ANSYS como plataforma de análise para realizar análise de elementos finitos e projeto de otimização em torres de transmissão.

1 Análise de Elementos Finitos da Estrutura da Torre de Transmissão

1.1 Objeto de pesquisa
Existem muitos tipos de estruturas de torres de transmissão. Este artigo pretende analisar a estrutura de um novo tipo de estrutura de torre de transmissão, a torre de tubos de aço de quatro tubos. Esta torre é uma torre de tubo de aço de circuito único de 220kV com ângulo de 50°. Suas travessas principais e transversais são feitas de tubos de aço. A torre tem 50m de altura, e a posição e largura das três cruzetas na direção da altura são conhecidas. além do que, além do mais, todas as outras informações são incertas, como o espaçamento das barras transversais, o espaçamento das hastes de suporte da cruzeta, parâmetros materiais, materiais principais, barras transversais, e dimensões da seção transversal do aço angular. Diante desta situação, o projeto empírico deve ser realizado primeiro para determinar a forma básica da torre, obter o esquema de design inicial, e então conduzir uma análise de elementos finitos neste esquema. Antes de realizar a análise de elementos finitos, é necessário simplificar a estrutura e realizar apenas análises de elementos finitos nos componentes que refletem as principais propriedades mecânicas da estrutura. Por exemplo, na torre de transmissão, os parafusos de conexão, placas de conexão e acessórios podem ser ignorados primeiro, e a estrutura da torre pode ser analisada, que pode não apenas se concentrar no comportamento de tensão da estrutura, mas também evite desperdiçar muitos recursos de computação.

1.2 Modelagem Geométrica
Uma vez que os parâmetros fixos são inseridos, a forma geométrica e os principais parâmetros mecânicos do modelo de elementos finitos são basicamente fixos. É usado principalmente para análise mecânica de parâmetros definidos, e não pode ser usado para a otimização das principais variáveis ​​de projeto. A universalidade é pobre. Este artigo tem como foco a otimização dos principais parâmetros de projeto da torre de transmissão. Assim sendo, é necessário adotar o método paramétrico de modelagem de elementos finitos. De acordo com a ideia de modelagem paramétrica, baseado na linguagem APDL, todo o módulo da estrutura da torre é dividido em quatro partes na estrutura geométrica: Material Principal, material cruzado, placa de braço cruzado e material auxiliar de braço cruzado. O modelo geométrico é estabelecido por sua vez, e finalmente o modelo geral é obtido por “assembleia geral”. O diagrama esquemático da modelagem modular é mostrado na Figura 1. No processo de modelagem deste artigo, algumas dimensões geométricas são parametrizadas, como altura da cruzeta, espaçamento da barra transversal, comprimento lateral superior, espaçamento horizontal do material auxiliar da cruzeta, espaçamento do material auxiliar da cruzeta inclinada e dimensões da seção transversal. O diagrama esquemático das dimensões parametrizadas é mostrado na Figura 2. No esquema de design inicial, todos os materiais de aço são ajustados para aço Q235 com uma resistência ao escoamento de 235MPa. O próprio software de elementos finitos realiza apenas cálculos numéricos. Em termos de sistema de unidades, o usuário pode definir sozinho um sistema de unidades fechadas. Por conveniência, este artigo usa o sistema de unidades mm-ton-N-MPa na análise.

1.3 Divisão de malha

A estrutura da torre de transmissão possui diversas formas de conexão, e as formas da seção transversal dos componentes são diversas, e a orientação e as condições gerais de estresse são relativamente complexas. O modelo convencional de análise de elementos finitos simplifica a torre em um modelo de treliça espacial. Os principais problemas são os seguintes: Primeira, apenas a tensão axial e a compressão do material principal são consideradas, mas na realidade, além de tensão axial e compressão, o material principal da torre também suporta momentos de flexão e torques complexos. Segundo, na conexão do nó, a dobradiça simplificada não pode transmitir momento fletor. A conexão real da torre geralmente é conectada por parafusos, soldagem, etc. As características específicas da conexão rígida são aquele momento fletor, cisalhar, etc. pode ser transmitido na conexão, enquanto a dobradiça simplificada não pode refletir totalmente a conexão rígida real. Terceiro, o modelo não pode exibir totalmente a tensão da seção transversal do componente, e geralmente exibe apenas a tensão do nó do modelo de elementos finitos. De acordo com as características de tensão da torre de transmissão, este artigo considera os efeitos complexos da tensão, compressão, flexão, e torção nas hastes, e usa elementos de viga 3D (feixe189) para modelagem. Ao mesmo tempo, as diferenças na forma da seção transversal e orientação de cada haste são consideradas, e a forma e direção da seção transversal são definidas. No pós-processamento dos resultados da análise de elementos finitos, a tensão transversal é extraída, não apenas o estresse do nó. Considerando as complexas condições de tensão da placa do braço cruzado, o elemento de casca (shell63) é usado para malha. O modelo de análise de elementos finitos da unidade de viga 3D neste artigo pode evitar os problemas do modelo de treliça, refletem as complexas condições de tensão dos materiais principais e a conexão rígida dos pontos de conexão, refletem totalmente a forma da seção transversal dos componentes e exibem a tensão da seção transversal dos componentes, e pode refletir totalmente as características gerais de tensão da torre de transmissão.

1.4 Condições limite

As cargas suportadas pela torre de transmissão são relativamente complexas, incluindo principalmente o peso próprio, carga de vento, o efeito do condutor na torre, e anexos (revestimento de gelo, hardware, etc.). além do que, além do mais, situações especiais, como quebra de linha, precisam ser consideradas. No desenho da torre, o cálculo das cargas é relativamente maduro, e existem muitos programas de cálculo especiais que podem calcular as condições de tensão da torre sob várias condições de trabalho e condições meteorológicas, e então equivalente aos pontos relevantes da torre. Este artigo usa o “Sistema de cálculo de carga de tensão total MYLHZ” calcular as condições de tensão da torre sob várias condições de trabalho. Deve-se notar que este programa pode calcular as condições de estresse de centenas de condições de trabalho. Após análise empírica preliminar, este artigo finalmente selecionado 5 condições de trabalho relativamente severas para análise detalhada. Esses 5 as condições de trabalho são as seguintes. Condição de trabalho 13: vento forte, tensão desequilibrada, 0-grau de vento; condição de trabalho 16: vento forte, tensão desequilibrada, 90-grau de vento; condição de trabalho 25: cobertura de gelo, tensão equilibrada, 0-grau de vento; condição de trabalho 78: linha de transmissão Torre treliçada de aço galvanizado, tensão desequilibrada, sem vento, condutor quebrado, 1, 3; condição de trabalho 87: instalação, equipamento adjacente não pendurado, 90-grau de vento, condutor de tração 1. Condições de limite de força relativa, a restrição de deslocamento da torre é relativamente simples, isso é, o fundo 4 os pontos estão totalmente restritos.

1.5 Análise e discussão dos resultados do modelo de elementos finitos

Este artigo baseia-se principalmente no critério de resistência ao conduzir a análise de elementos finitos no esquema inicial, isso é, a tensão máxima equivalente da estrutura não pode exceder o limite de escoamento. Nesse caso, a estrutura é considerada segura, caso contrário considera-se que a possibilidade de falha estrutural é elevada. Após análise, constatou-se que em condições de trabalho 25, o deslocamento máximo da torre atingiu 384mm e a tensão máxima equivalente foi de 330MPa, que excedeu o valor de rendimento do material 235MPa. Assim sendo, a possibilidade de falha estrutural nesta condição de trabalho é relativamente alta. Veja a figura 3 para detalhes.

2 Projeto de otimização da estrutura da torre de transmissão

2.1 Introdução ao design de otimização
O design de otimização é uma técnica para encontrar a solução de design ideal, que é encontrar a solução de projeto ideal que possa atingir o objetivo do projeto sob as restrições. O software internacional de grande escala ANSYS fornece um módulo de projeto de otimização e todas as opções parametrizadas do ANSYS podem ser usadas para projeto de otimização. O principal processo de cálculo do projeto de otimização é o seguinte: primeiro, inicializar as variáveis ​​e estabelecer um modelo paramétrico. Então, de acordo com a função objetivo e restrições, combinar as variáveis ​​de projeto para realizar cálculos e análises de elementos finitos, use o método de otimização de ordem zero para realizar pesquisa e otimização global, e então julgar a convergência dos resultados. Se convergência, o cálculo termina e o resultado da otimização é obtido; se não, ajustar as variáveis ​​de projeto e recalcular até a convergência..

2.2 Configuração de parâmetros de otimização
De acordo com a ideia básica do design de otimização, os três pontos-chave do projeto de otimização incluem a seleção de variáveis ​​de projeto, restrições e funções objetivo. Uma vez que a forma básica da estrutura da torre foi determinada, mas ainda existem muitos parâmetros que podem ser projetados, alguns parâmetros-chave são selecionados para otimização. Este artigo seleciona 16 variáveis ​​como comprimento do lado inferior, comprimento lateral superior, espaçamento da barra transversal, e dimensões transversais como variáveis ​​de projeto. A otimização é baseada no critério de força, então a seleção de restrições é relativamente simples, isso é, a tensão transversal máxima de várias unidades não pode exceder a resistência ao escoamento de 235MPa.

2.3   Seleção de função objetivo
Estrutura inicial
A função objetivo deste artigo é relativamente simples, isso é, a massa total da estrutura. O objetivo da otimização é reduzir a massa total da estrutura. De acordo com os resultados da análise de elementos finitos de cada condição de trabalho, nas cinco condições de trabalho, o grau de perigo diminui com as condições de trabalho 25 para condição de trabalho 78 e finalmente para a condição de trabalho 87. Por uma questão de prudência, este artigo seleciona a condição de trabalho mais perigosa (condição de trabalho 25) como a condição de trabalho de otimização. Sob esta condição de trabalho, o resultado da otimização fará com que a estrutura tenda a ser mais segura.

2.4   Configurando o algoritmo de otimização
O algoritmo de otimização ANSYS converte o problema de otimização restrito em um problema de otimização irrestrito aproximando a função objetivo ou adicionando uma função de penalidade à função objetivo. Geralmente existem dois tipos de algoritmos, algoritmo de ordem zero e algoritmo de primeira ordem [3]. O algoritmo de ordem zero também é chamado de método direto, que não usa a informação da derivada parcial de primeira ordem. O algoritmo de primeira ordem também é chamado de método indireto, que usa a informação da derivada parcial de primeira ordem. De um modo geral, o algoritmo de primeira ordem possui uma grande quantidade de cálculos e uma alta precisão do resultado do cálculo, enquanto o algoritmo de ordem zero tem uma pequena quantidade de cálculo, uma velocidade de operação rápida, e uma baixa precisão do resultado, mas basicamente pode resolver a maioria dos projetos. Este artigo escolhe o algoritmo de ordem zero. O algoritmo de ordem zero ajusta a função de resposta das variáveis ​​de projeto, variáveis ​​de estado, e funções objetivo baseadas em um certo número de amostragens, e então busca a solução ótima. Este artigo define o parâmetro de controle de loop para 50. Depois de definir as variáveis ​​de projeto, restrições, funções objetivo, algoritmos de otimização e outros parâmetros, otimização iterativa é realizada, e os resultados de otimização são finalmente obtidos, conforme mostrado na tabela 1. De acordo com a tabela 1, sob a premissa de atender ao critério de força, a massa total da estrutura é reduzida para cerca de 25t, com redução de até 30%.

3.5 Idéias de design de otimização estrutural

Da análise estrutural de elementos finitos acima ao projeto de otimização estrutural, uma ideia universal pode ser resumida. O primeiro passo é obter o esquema de projeto inicial por meio de projeto empírico. De acordo com os requisitos e condições de projeto da torre, a forma estrutural básica e os parâmetros básicos da torre de transmissão são primeiro determinados com base na experiência. A racionalidade do esquema de design inicial depende da experiência de design do designer. A segunda etapa é usar a análise de elementos finitos para verificar a resistência. Melhorar as partes irracionais que podem existir no esquema de projeto inicial. A terceira etapa é o projeto de otimização estrutural, e encontrar a estrutura ideal sob a premissa de atender às restrições. O diagrama esquemático desta ideia de otimização é mostrado na Figura 4. O tradicional “análise de projeto preliminar e verificação-análise de modificação de retorno e verificação” método de design empírico é ineficiente, demorado, e a estrutura pode ser redundante e antieconômica. A ideia de projeto de otimização proposta neste artigo toma o projeto empírico como base original, dá pleno uso à criatividade subjetiva e à experiência de design dos designers, e é baseado em análise e otimização de simulação de elementos finitos. Ele usa algoritmos de otimização modernos e usa o poderoso poder computacional dos computadores para realizar análises iterativas. Pode encontrar a estrutura mais otimizada em menos tempo, melhora muito a eficiência do design, otimiza os resultados do projeto, economiza tempo e custos de recursos, e tem bons benefícios econômicos.

3 Conclusão

Este artigo estabelece um modelo de análise de elementos finitos de uma torre de transmissão (torre de quatro tubos), com base no qual a análise de elementos finitos e o projeto de otimização estrutural são realizados, e finalmente um esquema de projeto de referência é obtido. O modelo de elementos finitos é baseado na linguagem APDL, realiza controle paramétrico, tem um alto grau de automação, e pode se adaptar a diferentes alturas de torre, posições da barra transversal, posições de cruzeta, vários parâmetros de seção transversal e parâmetros de materiais de tipos de torre, fornecendo uma referência para a análise de estruturas semelhantes no futuro. além do que, além do mais, este artigo também propõe uma ideia geral de projeto de torre, nomeadamente, projeto empírico - análise estrutural de elementos finitos - projeto de otimização, o que melhora a eficiência do projeto e economiza custos, e pode fornecer uma referência para resolver problemas de engenharia semelhantes.