Анализ методом конечных элементов и оптимизация проектирования опор электропередачи

Абстрактный:

В этой статье используется метод анализа методом конечных элементов и программная платформа анализа ANSYS для выполнения анализа методом конечных элементов и проектирования оптимизации на передача башни состав (на примере башни из стальных труб). В структурном анализе, на основе языка APDL, параметрическая модель конечных элементов используется для выполнения конечно-элементного анализа механического поведения исходной схемы проектирования в различных рабочих условиях., и оценены механические свойства конструкции в различных условиях работы.. На этом основании, оптимизационный проект вводится для оптимизации исходной схемы проектирования. При условии соблюдения критерия прочности, общая масса конструкции оптимизирована и уменьшена на 30%. К тому же, в данной статье также предложено общее представление о конструкции башни: эмпирическое проектирование - структурный анализ методом конечных элементов - проектирование оптимизации, что повышает эффективность проектирования и экономит затраты, и может предоставить рекомендации по решению аналогичных инженерных задач.. Ключевые слова: анализ методом конечных элементов; параметрический дизайн; передача башни; структурная оптимизация проекта.

История исследования

Опоры электропередачи являются важными несущими конструкциями в оборудовании электропередачи.. Их безопасность и стабильность напрямую повлияют на бесперебойную работу всей энергосистемы. [1]. Нагрузки на опоры ЛЭП также сложны и разнообразны.. Обычно, к основным нагрузкам относится собственный вес проводников, сила ветра, и лед. При соединении этих различных нагрузок, башни должны иметь достаточную механическую прочность для обеспечения нормальной работы системы передачи [2]. Современные линии электропередачи высокого напряжения, представленные передачей сверхвысокого напряжения, предъявляют все более высокие требования к механическим свойствам и безопасности опор.. Следовательно, большое практическое значение имеет проведение анализа прочности конструкций опор ЛЭП во избежание серьезного повреждения опор. Статический механический анализ башен – основа изучения их механических свойств.. Традиционный метод проектирования башенной конструкции – эмпирический расчет., то есть, дизайнер сначала разрабатывает первоначальную схему согласно соответствующим требованиям, а затем вручную проверяет структуру. Если он не соответствует требованиям механических свойств, структура снова модифицируется и снова проверяется, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет получена окончательная схема проектирования.. Этот метод проектирования неэффективен, кропотливый, и сильно зависит от уровня опыта дизайнера. Этот метод еще сложнее использовать в условиях все более сложных и разнообразных конструкций опор электропередачи.. С развитием современной вычислительной механики, Моделирование методом конечных элементов значительно повысило точность и эффективность анализа.. В этом документе программное обеспечение ANSYS выбрано в качестве платформы анализа для выполнения анализа методом конечных элементов и оптимизации проектирования опор электропередачи..

1 Конечно-элементный анализ конструкции башни электропередачи

1.1 Объект исследования
Существует много типов конструкций опор электропередачи.. Целью данной статьи является анализ структуры конструкции передающей башни нового типа., четырехтрубная башня из стальных труб. Эта башня представляет собой одноцепную башню из стальных труб под углом 50° на напряжение 220 кВ.. Его основная и поперечины изготовлены из стальных труб.. Башня высотой 50 метров., а положение и ширина трех траверс по высоте известны. К тому же, вся остальная информация неопределенна, например, расстояние между перекладинами, расстояние между опорными стержнями траверсы, параметры материала, Основные материалы, перекладины, и размеры поперечного сечения уголка стального. Ввиду этой ситуации, сначала следует провести эмпирическое проектирование, чтобы определить основную форму башни, получить первоначальную проектную схему, а затем провести конечно-элементный анализ по этой схеме. Прежде чем проводить анализ методом конечных элементов, необходимо упростить конструкцию и проводить конечно-элементный анализ только тех компонентов, которые отражают основные механические свойства конструкции. Например, в башне передачи, соединительные болты, соединительные пластины и крепления можно в первую очередь игнорировать, и каркас башни можно проанализировать, который может не только сосредоточиться на напряженном поведении конструкции, но также избегайте траты слишком большого количества вычислительных ресурсов.

1.2 Геометрическое моделирование
После ввода фиксированных параметров, геометрическая форма и основные механические параметры конечно-элементной модели в основном фиксированы. В основном используется для механического анализа заданных параметров., и не может использоваться для оптимизации ключевых переменных конструкции.. Универсальность плохая.. В данной статье основное внимание уделяется оптимизации основных конструктивных параметров башни электропередачи.. Следовательно, необходимо принять метод параметрического конечно-элементного моделирования. По идее параметрического моделирования, на основе языка APDL, Весь модуль конструкции башни разделен на четыре части по геометрической структуре: Главный Материал, крест материал, пластина поперечины и вспомогательный материал поперечины. Геометрическая модель устанавливается в свою очередь, и, наконец, общая модель получается путем “генеральная ассамблея”. Принципиальная схема модульного моделирования представлена ​​на рисунке. 1. В процессе моделирования в этой статье, некоторые геометрические размеры параметризованы, например, высота перекладины, расстояние между перекладинами, длина верхней стороны, Расстояние между вспомогательными материалами горизонтальной траверсы, Расстояние между вспомогательными материалами и размеры поперечного сечения наклонной траверсы. Принципиальная схема параметризованных размеров представлена ​​на рисунке. 2. В исходной схеме проектирования, все стальные материалы изготовлены из стали Q235 с пределом текучести 235 МПа.. Само программное обеспечение конечных элементов выполняет только численные расчеты.. По системе единиц, пользователь может установить закрытую систему модулей самостоятельно. Для удобства, в этой статье для анализа используется система единиц мм-тонна-Н-МПа..

1.3 Сетчатое деление

Конструкция передающей башни имеет множество форм соединения., и формы поперечного сечения компонентов разнообразны, а ориентация и общие стрессовые условия относительно сложны. Традиционная модель анализа методом конечных элементов упрощает башню до модели пространственной фермы.. Основные проблемы заключаются в следующем: Первый, учитываются только осевое растяжение и сжатие основного материала., но на самом деле, помимо осевого растяжения и сжатия, основной материал башни также выдерживает сложные изгибающие моменты и моменты. второй, в узле соединения, упрощенный шарнир не может передавать изгибающий момент. Фактическое соединение башни обычно соединяется болтами., сварка, и т.д. Особые характеристики жесткого соединения заключаются в том, что изгибающий момент, срезать, и т.д. может передаваться при соединении, тогда как упрощенный шарнир не может полностью отразить реальное жесткое соединение. В третьих, модель не может полностью отобразить напряжение поперечного сечения компонента, и обычно отображает только напряжение узла модели конечных элементов.. По нагрузочным характеристикам опоры электропередачи, в этой статье рассматриваются сложные эффекты напряжения, сжатие, изгиб, и кручение на тягах, и использует 3D-балочные элементы (луч189) для моделирования. В то же время, учтены различия в форме поперечного сечения и ориентации каждого стержня, а форма и направление поперечного сечения определены. При постобработке результатов конечно-элементного анализа, напряжение поперечного сечения извлекается, не только напряжение узла. Учитывая сложные напряжённые условия траверсы, элемент оболочки (оболочка63) используется для создания сетки. Трехмерная модель анализа методом конечных элементов балки-оболочки, представленная в этой статье, позволяет избежать проблем модели фермы., отражают сложные напряжённые состояния основных материалов и жёсткую связь точек соединения, полностью отражают форму поперечного сечения компонентов и отображают поперечное напряжение компонентов, и может полностью отражать общие характеристики напряжения опоры электропередачи..

1.4 Граничные условия

Нагрузки, которые несет опора электропередачи, относительно сложны., в основном включая собственный вес, ветровая нагрузка, воздействие кондуктора на башню, и вложения (ледяное покрытие, аппаратное обеспечение, и т.п.). К тому же, необходимо учитывать особые ситуации, такие как обрыв линии. В конструкции башни, расчет нагрузок является относительно зрелым, и существует множество специальных расчетных программ, которые позволяют рассчитать напряженное состояние башни при различных условиях работы и метеорологических условиях., а затем эквивалентно соответствующим точкам башни. В этой статье используется “Система расчета полной стрессовой нагрузки MYLHZ” рассчитать напряженное состояние башни при различных условиях работы. Следует отметить, что данная программа может рассчитывать стрессовые условия сотен условий труда.. После предварительного эмпирического анализа, эта статья наконец выбрана 5 относительно тяжелые условия труда для детального анализа. Эти 5 условия работы следующие. Рабочее состояние 13: сильный ветер, несбалансированное напряжение, 0-градусный ветер; рабочее состояние 16: сильный ветер, несбалансированное напряжение, 90-градусный ветер; рабочее состояние 25: ледяной покров, сбалансированное напряжение, 0-градусный ветер; рабочее состояние 78: оборванный провод, несбалансированное напряжение, без ветра, сломанный проводник, 1, 3; рабочее состояние 87: монтаж, соседняя шестерня не подвешена, 90-градусный ветер, тяговый проводник 1. Относительные силовые граничные условия, ограничение смещения башни относительно простое, то есть, дно 4 точки полностью ограничены.

1.5 Анализ и обсуждение результатов модели конечных элементов

Данная статья в основном основана на критерии прочности при проведении конечно-элементного анализа по исходной схеме., то есть, максимальное эквивалентное напряжение конструкции не может превышать предел текучести. В этом случае, конструкция считается безопасной, в противном случае считается, что вероятность разрушения конструкции высока. После анализа, выяснилось, что в рабочем состоянии 25, максимальное смещение башни достигало 384 мм, а максимальное эквивалентное напряжение - 330 МПа., что превысило предел текучести материала 235МПа. Следовательно, вероятность разрушения конструкции в таких условиях работы относительно высока. См. рисунок 3 для подробностей.

2 Оптимизация конструкции башни электропередачи

2.1 Введение в оптимизационный дизайн
Оптимизирующее проектирование – это метод поиска оптимального проектного решения., который заключается в поиске оптимального проектного решения, которое может достичь цели проектирования при определенных ограничениях.. Международное крупномасштабное программное обеспечение ANSYS предоставляет модуль оптимизации проектирования, и все параметризованные параметры ANSYS могут использоваться для оптимизации проектирования.. Основной процесс расчета оптимизации проектирования выглядит следующим образом.: первый, инициализировать переменные и установить параметрическую модель. Затем, в соответствии с целевой функцией и ограничениями, объединить переменные проекта для выполнения расчета и анализа методом конечных элементов, использовать метод оптимизации нулевого порядка для выполнения глобального поиска и оптимизации, а затем судить о сходимости результатов. Если сходимость, расчет заканчивается и получается результат оптимизации; если не, отрегулируйте переменные расчета и пересчитайте до достижения сходимости..

2.2 Настройка параметров оптимизации
По основной идее оптимизации конструкции, Три ключевых момента оптимизации дизайна включают выбор переменных дизайна., ограничения и целевые функции. Так как основная форма конструкции башни определена, но есть еще много параметров, которые можно спроектировать, некоторые ключевые параметры выбраны для оптимизации. Этот документ выбирает 16 переменные, такие как длина нижней стороны, длина верхней стороны, расстояние между перекладинами, и размеры поперечного сечения как расчетные переменные. Оптимизация основана на критерии прочности, поэтому выбор ограничений относительно прост, то есть, максимальное поперечное напряжение различных узлов не может превышать предел текучести 235 МПа..

2.3   Выбор целевой функции
Первоначальная структура
Целевая функция данной статьи относительно проста., то есть, общая масса конструкции. Цель оптимизации – снижение общей массы конструкции.. По результатам конечно-элементного анализа каждого рабочего состояния, в пяти условиях работы, степень опасности снижается от рабочего состояния 25 до рабочего состояния 78 и наконец до рабочего состояния 87. Ради благоразумия, в этой статье выбраны наиболее опасные условия труда (рабочее состояние 25) как рабочее состояние оптимизации. В этом рабочем состоянии, результат оптимизации сделает конструкцию более безопасной.

2.4   Настройка алгоритма оптимизации
Алгоритм оптимизации ANSYS преобразует задачу оптимизации с ограничениями в задачу оптимизации без ограничений путем аппроксимации целевой функции или добавления штрафной функции к целевой функции.. Обычно существует два типа алгоритмов., алгоритм нулевого порядка и алгоритм первого порядка [3]. Алгоритм нулевого порядка еще называют прямым методом., который не использует информацию о частной производной первого порядка. Алгоритм первого порядка еще называют косвенным методом., который использует информацию о частной производной первого порядка. Вообще говоря, алгоритм первого порядка имеет большой объем вычислений и высокую точность результата расчета, в то время как алгоритм нулевого порядка имеет небольшой объем вычислений, быстрая скорость работы, и низкая точность результата, но в принципе он может решить большинство проектов. В данной статье выбран алгоритм нулевого порядка. Алгоритм нулевого порядка соответствует функции отклика проектных переменных., переменные состояния, и целевые функции, основанные на определенном количестве выборок, а затем ищет оптимальное решение. В этом документе для параметра управления контуром установлено значение 50. После установки переменных проекта, ограничения, целевые функции, алгоритмы оптимизации и другие параметры, выполняется итерационная оптимизация, и результаты оптимизации наконец получены, как показано в таблице 1. Согласно Таблице 1, при условии соблюдения критерия прочности, общая масса конструкции уменьшена примерно до 25т., со снижением до 30%.

3.5 Идеи дизайна структурной оптимизации

От приведенного выше структурного анализа методом конечных элементов к проекту оптимизации конструкции., универсальную идею можно резюмировать. Первым шагом является получение исходной схемы проектирования посредством эмпирического проектирования.. В соответствии с требованиями к проектированию башни и условиями проектирования., основная конструктивная форма и основные параметры опоры электропередачи сначала определяются на основе опыта. Рациональность первоначальной схемы проектирования зависит от опыта проектирования проектировщика.. Второй шаг — использовать анализ методом конечных элементов для проверки прочности.. Улучшите необоснованные детали, которые могут существовать в исходной схеме проектирования.. Третий шаг — проектирование структурной оптимизации., и найти оптимальную структуру при условии соблюдения ограничений. Принципиальная схема этой идеи оптимизации показана на рисунке. 4. Традиционный “предварительный проект-анализ и проверка-возврат модификаций-анализ и проверка” метод эмпирического проектирования неэффективен, кропотливый, и структура может быть избыточной и неэкономичной. Идея оптимизации дизайна, предложенная в этой статье, берет за первоначальную основу эмпирический дизайн., дает полную свободу субъективному творчеству и дизайнерскому опыту дизайнеров, и основан на анализе и оптимизации моделирования методом конечных элементов.. Он использует современные алгоритмы оптимизации и использует мощные вычислительные мощности компьютеров для выполнения итеративного анализа.. Он может найти наиболее оптимизированную структуру за более короткое время., значительно повышает эффективность проектирования, оптимизирует результаты проектирования, экономит время и ресурсы, и имеет хорошие экономические выгоды.

3 Заключение

В этой статье представлена ​​модель для анализа методом конечных элементов опоры электропередачи. (четырехтрубная башня), на основе которого выполняется анализ методом конечных элементов и проектирование оптимизации конструкции., и, наконец, получена эталонная схема проектирования. Модель конечных элементов основана на языке APDL., осуществляет параметрическое управление, имеет высокую степень автоматизации, и может адаптироваться к разной высоте башни, позиции перекладины, позиции перекладины, различные параметры поперечного сечения и параметры материала типов башен, предоставление справочной информации для анализа подобных структур в будущем. К тому же, в данной статье также предложено общее представление о конструкции башни, а именно, эмпирическое проектирование - структурный анализ методом конечных элементов - проектирование оптимизации, что повышает эффективность проектирования и экономит затраты, и может предоставить рекомендации по решению аналогичных инженерных задач..