İletim Kulelerinin Sonlu Eleman Analizi ve Optimizasyon Tasarımı

soyut:

Bu makale, sonlu elemanlar analizi ve optimizasyon tasarımını gerçekleştirmek için sonlu elemanlar optimizasyon analiz yöntemini ve ANSYS yazılım analiz platformunu kullanmaktadır. iletim kulesi yapı (çelik boru kulesini örnek alarak). Yapısal analizde, APDL diline dayalı, Çeşitli çalışma koşulları altında ilk tasarım şemasının mekanik davranışı üzerinde sonlu elemanlar analizi yapmak için parametrik bir sonlu eleman modeli kullanılır, ve yapının farklı çalışma koşullarındaki mekanik özellikleri değerlendirilmektedir.. Bu temelde, optimizasyon tasarımı, ilk tasarım şemasını optimize etmek için tanıtıldı. Güç kriterini karşılama öncülüğünde, yapının toplam kütlesi optimize edilir ve azaltılır 30%. ek olarak, bu makale aynı zamanda kule tasarımına ilişkin genel bir fikir önermektedir: ampirik tasarım-sonlu elemanlar yapısal analizi-optimizasyon tasarımı, bu da tasarım verimliliğini artırır ve maliyetlerden tasarruf sağlar, ve benzer mühendislik problemlerinin çözümü için referans sağlayabilir. Anahtar kelimeler: sonlu elemanlar analizi; parametrik tasarım; iletim kulesi; yapısal optimizasyon tasarımı.

Araştırma geçmişi

İletim kuleleri, güç iletim ekipmanlarındaki önemli yük taşıyan yapılardır.. Güvenlikleri ve istikrarları, tüm güç sisteminin düzgün çalışmasını doğrudan etkileyecektir. [1]. İletim kulelerindeki yükler de karmaşık ve çeşitlidir. Genellikle, ana yükler iletkenlerin ölü ağırlığını içerir, rüzgar kuvveti, ve buz. Bu farklı yüklerin birleşimi altında, Kuleler, iletim sisteminin normal çalışmasını sağlamak için yeterli mekanik dayanıklılığa sahip olmalıdır. [2]. Ultra yüksek gerilim iletimiyle temsil edilen modern yüksek seviyeli iletim hatları, kulelerin mekanik özellikleri ve güvenliği açısından giderek daha yüksek gereksinimlere sahiptir.. bu nedenle, Kulelere ciddi zarar gelmesini önlemek için iletim kulelerinde yapısal mukavemet analizi yapmak büyük pratik öneme sahiptir.. Kulelerin statik mekanik analizi, mekanik özelliklerinin incelenmesinin temelini oluşturur. Geleneksel kule yapısı tasarım yöntemi ampirik tasarımdır, yani, tasarımcı ilk önce ilgili gereksinimlere göre bir başlangıç ​​şeması tasarlar, ve ardından yapıyı manuel olarak kontrol eder. Mekanik özelliklerin gereksinimlerini karşılamıyorsa, yapı tekrar değiştirildi ve tekrar kontrol edildi, ve bu süreç nihai tasarım şeması elde edilene kadar tekrarlanır.. Bu tasarım yöntemi verimsizdir, zaman tükeniyor, ve büyük ölçüde tasarımcının deneyim düzeyine bağlıdır. İletim kulelerinin giderek daha karmaşık ve çeşitli yapıları karşısında bu yöntemin çalışması daha da zordur.. Modern hesaplamalı mekaniğin gelişmesiyle birlikte, sonlu eleman simülasyon analizi, analizin doğruluğunu ve verimliliğini büyük ölçüde artırdı. Bu makale, iletim kulelerinde sonlu elemanlar analizi ve optimizasyon tasarımı gerçekleştirmek için analiz platformu olarak ANSYS yazılımını seçmektedir..

1 İletim Kulesi Yapısının Sonlu Eleman Analizi

1.1 Araştırma Nesnesi
Birçok türde iletim kulesi yapısı vardır. Bu makale daha yeni tipte bir iletim kulesi yapısının yapısını analiz etmeyi amaçlamaktadır., dört tüplü çelik boru kulesi. Bu kule 220kV tek devreli 50° açılı çelik boru kulesidir. Ana ve traversleri çelik borulardan yapılmıştır. Kule 50 m yüksekliğindedir, ve üç traversin yükseklik yönünde konumu ve genişliği bilinmektedir. ek olarak, diğer tüm bilgiler belirsizdir, çapraz çubukların aralığı gibi, çapraz kol destek çubuklarının aralığı, malzeme parametreleri, ana malzemeler, çapraz çubuklar, ve açılı çelik kesit boyutları. Bu durum göz önüne alındığında, Kulenin temel formunu belirlemek için öncelikle ampirik tasarım yapılmalıdır., ilk tasarım şemasını elde edin, ve daha sonra bu şema üzerinde sonlu elemanlar analizi yapın. Sonlu elemanlar analizini yapmadan önce, yapının basitleştirilmesi ve sadece yapının temel mekanik özelliklerini yansıtan bileşenler üzerinde sonlu elemanlar analizi yapılması gerekmektedir.. Örneğin, iletim kulesinde, bağlantı cıvataları, bağlantı plakaları ve ataşmanlar ilk önce göz ardı edilebilir, ve kule çerçevesi analiz edilebilir, bu sadece yapının stres davranışına odaklanamaz, ama aynı zamanda çok fazla bilgi işlem kaynağı israfından da kaçının.

1.2 Geometrik Modelleme
Sabit parametreler girildikten sonra, sonlu eleman modelinin geometrik şekli ve ana mekanik parametreleri temel olarak sabittir. Esas olarak ayarlanan parametrelerin mekanik analizi için kullanılır., ve temel tasarım değişkenlerinin optimizasyonu için kullanılamaz. Evrensellik zayıf. Bu makale iletim kulesinin ana tasarım parametrelerinin optimizasyonuna odaklanmaktadır.. bu nedenle, parametrik sonlu elemanlar modelleme yönteminin benimsenmesi gereklidir. Parametrik modelleme fikrine göre, APDL diline dayalı, kule yapı modülünün tamamı geometrik yapıda dört parçaya bölünmüştür: Ana Malzeme, çapraz malzeme, Çapraz kol plakası ve çapraz kol yardımcı malzemesi. Geometrik model sırayla kurulur, ve son olarak genel model şu şekilde elde edilir: “Genel Kurul”. Modüler modellemenin şematik diyagramı Şekilde gösterilmiştir. 1. Bu makalenin modelleme sürecinde, bazı geometrik boyutlar parametrelendirilmiştir, çapraz kol yüksekliği gibi, çapraz çubuk aralığı, üst kenar uzunluğu, yatay çapraz kol yardımcı malzeme aralığı, eğimli çapraz kol yardımcı malzeme aralığı ve kesit boyutları. Parametrelendirilmiş boyutların şematik diyagramı Şekilde gösterilmiştir. 2. İlk tasarım şemasında, tüm çelik malzemeler 235MPa akma dayanımına sahip Q235 çeliğine ayarlanmıştır. Sonlu elemanlar yazılımının kendisi yalnızca sayısal hesaplamalar yapar. Birim sistemi açısından, kullanıcı kapalı ünite sistemini kendisi ayarlayabilir. Kolaylık sağlamak için, bu makale analizde mm-ton-N-MPa birim sistemini kullanmaktadır.

1.3 Örgü bölümü

İletim kulesi yapısının birçok bağlantı formu vardır, ve bileşenlerin kesit şekilleri çeşitlidir, ve yönelim ve genel stres koşulları nispeten karmaşıktır. Geleneksel sonlu eleman analiz modeli, kuleyi mekansal kafes modeline göre basitleştirir. Başlıca sorunlar aşağıdaki gibidir: İlk, yalnızca ana malzemenin eksenel gerilimi ve sıkışması dikkate alınır, ama gerçekte, eksenel gerilim ve sıkıştırmaya ek olarak, Kulenin ana malzemesi aynı zamanda karmaşık bükülme momentleri ve torkları da taşıyor. İkinci, düğüm bağlantısında, basitleştirilmiş menteşe bükülme momentini aktaramaz. Gerçek kule bağlantısı genellikle cıvatalarla bağlanır, kaynak, vb. Spesifik rijit bağlantı özellikleri bükülme momentidir., kırpmak, vb. bağlantıda iletilebilir, basitleştirilmiş menteşe gerçek sert bağlantıyı tam olarak yansıtamazken. Üçüncü, model, bileşenin kesit gerilimini tam olarak görüntüleyemiyor, ve genellikle yalnızca sonlu eleman modelinin düğüm stresini görüntüler. İletim kulesinin stres özelliklerine göre, bu makale gerilimin karmaşık etkilerini ele alıyor, sıkıştırma, bükme, ve çubuklardaki burulma, ve 3 boyutlu ışın elemanlarını kullanır (kiriş189) modelleme için. Aynı zamanda, her çubuğun kesit şekli ve yönelimindeki farklılıklar dikkate alınır, ve kesit şekli ve yönü tanımlanır. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarının sonradan işlenmesinde, kesit gerilimi çıkarılır, sadece düğüm stresi değil. Çapraz kol plakasının karmaşık stres koşulları dikkate alındığında, kabuk elemanı (kabuk63) meshleme için kullanılır. Bu makaledeki 3 boyutlu ışın birim-kabuk birim sonlu eleman analiz modeli kafes modelin sorunlarını önleyebilir, Ana malzemelerin karmaşık gerilim koşullarını ve bağlantı noktalarının sağlam bağlantısını yansıtır, Bileşenlerin kesit şeklini tam olarak yansıtır ve bileşenlerin kesitsel gerilimini gösterir, ve iletim kulesinin genel stres özelliklerini tam olarak yansıtabilir.

1.4 Sınır koşulları

İletim kulesinin taşıdığı yükler nispeten karmaşıktır, esas olarak kendi ağırlığı dahil, Rüzgar yükü, iletkenin kule üzerindeki etkisi, ve ekler (buz kaplama, donanım, vb.). ek olarak, hat kopması gibi özel durumların dikkate alınması gerekir. Kulenin tasarımında, yüklerin hesaplanması nispeten olgunlaşmıştır, ve çeşitli çalışma koşulları ve meteorolojik koşullar altında kulenin gerilme koşullarını hesaplayabilen birçok özel hesaplama programı bulunmaktadır., ve daha sonra kulenin ilgili noktalarına eşdeğer. Bu makale şunları kullanır: “MYLHZ tam gerilim yükü hesaplama sistemi” Çeşitli çalışma koşulları altında kulenin stres koşullarını hesaplamak. Bu programın yüzlerce çalışma koşulunun stres koşullarını hesaplayabildiğini belirtelim.. Ön ampirik analizden sonra, sonunda bu makale seçildi 5 Detaylı analiz için nispeten ağır çalışma koşulları. Bunlar 5 çalışma koşulları aşağıdaki gibidir. Çalışma koşulu 13: kuvvetli rüzgar, dengesiz gerilim, 0-derece rüzgar; çalışma koşulu 16: kuvvetli rüzgar, dengesiz gerilim, 90-derece rüzgar; çalışma koşulu 25: buz örtüsü, dengeli gerilim, 0-derece rüzgar; çalışma koşulu 78: Kırık tel, dengesiz gerilim, rüzgar yok, kırık iletken, 1, 3; çalışma koşulu 87: kurulum, bitişik dişli asılı değil, 90-derece rüzgar, çekiş iletkeni 1. Bağıl kuvvet sınır koşulları, kulenin yer değiştirme kısıtlaması nispeten basittir, yani, alt 4 puanlar tamamen sınırlandırılmıştır.

1.5 Sonlu eleman modeli sonuçlarının analizi ve tartışılması

Bu makale temel olarak başlangıç ​​şemasında sonlu elemanlar analizi yapılırken dayanım kriterine dayanmaktadır., yani, yapının maksimum eşdeğer gerilimi akma dayanımını aşamaz. Bu durumda, yapı güvenli kabul ediliyor, aksi takdirde yapısal arıza olasılığının yüksek olduğu değerlendirilmektedir.. Analizden sonra, çalışma koşulu altında olduğu tespit edildi 25, kulenin maksimum yer değiştirmesi 384 mm'ye ulaştı ve maksimum eşdeğer gerilim 330 MPa idi, 235MPa malzemenin akma değerini aşan. bu nedenle, bu çalışma koşulu altında yapısal arıza olasılığı nispeten yüksektir. Şekile bakın 3 ayrıntılar için.

2 İletim kulesi yapısının optimizasyon tasarımı

2.1 Optimizasyon tasarımına giriş
Optimizasyon tasarımı, optimum tasarım çözümünü bulmaya yönelik bir tekniktir, kısıtlamalar altında tasarım hedefine ulaşabilecek en uygun tasarım çözümünü bulmaktır.. Uluslararası büyük ölçekli yazılım ANSYS, bir optimizasyon tasarım modülü sağlar ve parametrelendirilmiş tüm ANSYS seçenekleri optimizasyon tasarımı için kullanılabilir.. Optimizasyon tasarımının ana hesaplama süreci aşağıdaki gibidir: Birinci, Değişkenleri başlatın ve parametrik bir model oluşturun. Daha sonra, amaç fonksiyonu ve kısıtlamalara göre, Sonlu eleman hesaplaması ve analizini gerçekleştirmek için tasarım değişkenlerini birleştirin, küresel arama ve optimizasyon gerçekleştirmek için sıfır dereceli optimizasyon yöntemini kullanın, ve ardından sonuçların yakınsamasına karar verin. Yakınsama ise, hesaplama sona erer ve optimizasyon sonucu elde edilir; değilse, tasarım değişkenlerini ayarlayın ve yakınsayana kadar yeniden hesaplayın..

2.2 Optimizasyon parametrelerinin ayarlanması
Optimizasyon tasarımının temel fikrine göre, Optimizasyon tasarımının üç temel noktası tasarım değişkenlerinin seçimini içerir, kısıtlamalar ve amaç fonksiyonları. Kule yapısının temel formu belirlendiğinden, ancak hâlâ tasarlanabilecek birçok parametre var, optimizasyon için bazı önemli parametreler seçildi. Bu makale seçiyor 16 alt kenar uzunluğu gibi değişkenler, üst kenar uzunluğu, çapraz çubuk aralığı, ve kesit boyutları tasarım değişkenleri olarak. Optimizasyon güç kriterine dayanmaktadır, dolayısıyla kısıtlama seçimi nispeten basittir, yani, çeşitli birimlerin maksimum kesit gerilimi 235MPa'lık akma dayanımını aşamaz.

2.3   Amaç fonksiyonu seçimi
Başlangıç ​​yapısı
Bu makalenin amaç fonksiyonu nispeten basittir., yani, yapının toplam kütlesi. Optimizasyonun amacı yapının toplam kütlesini azaltmaktır.. Her çalışma koşulunun sonlu elemanlar analizi sonuçlarına göre, beş çalışma koşulunda, tehlike derecesi çalışma koşullarından azalır 25 çalışma durumuna 78 ve nihayet çalışma durumuna 87. Sağduyu adına, bu makale en tehlikeli çalışma koşullarını seçiyor (çalışma koşulu 25) optimizasyon çalışma koşulu olarak. Bu çalışma koşulu altında, optimizasyon sonucu yapının daha güvenli olmasını sağlayacaktır.

2.4   Optimizasyon algoritmasını ayarlama
ANSYS optimizasyon algoritması, amaç fonksiyonuna yaklaşarak veya amaç fonksiyonuna bir ceza fonksiyonu ekleyerek kısıtlı optimizasyon problemini kısıtlamasız bir optimizasyon problemine dönüştürür.. Genellikle iki tür algoritma vardır, sıfır dereceli algoritma ve birinci dereceden algoritma [3]. Sıfır dereceli algoritmaya doğrudan yöntem de denir., birinci dereceden kısmi türev bilgisini kullanmayan. Birinci dereceden algoritmaya dolaylı yöntem de denir., birinci dereceden kısmi türev bilgisini kullanan. Genel konuşma, birinci dereceden algoritma büyük miktarda hesaplamaya ve hesaplama sonucunun yüksek hassasiyetine sahiptir, sıfır dereceli algoritmanın az miktarda hesaplaması varken, hızlı bir çalışma hızı, ve sonucun düşük kesinliği, ancak temelde çoğu projeyi çözebilir. Bu makale sıfır dereceli algoritmayı seçmektedir. Sıfır dereceli algoritma, tasarım değişkenlerinin yanıt fonksiyonuna uyar, durum değişkenleri, ve belirli sayıda örneklemeye dayalı amaç fonksiyonları, ve sonra en uygun çözümü arar. Bu makale döngü kontrol parametresini şu şekilde ayarlar: 50. Tasarım değişkenlerini ayarladıktan sonra, kısıtlamalar, amaç fonksiyonları, optimizasyon algoritmaları ve diğer parametreler, yinelemeli optimizasyon gerçekleştirilir, ve sonunda optimizasyon sonuçları elde edilir, Tabloda gösterildiği gibi 1. Tabloya Göre 1, güç kriterini karşılama öncülüğünde, yapının toplam kütlesi yaklaşık 25 tona düşürüldü, kadar bir azalma ile 30%.

3.5 Yapısal optimizasyon tasarım fikirleri

Yukarıdaki yapısal sonlu eleman analizinden yapısal optimizasyon tasarımına, evrensel bir fikir özetlenebilir. İlk adım ampirik tasarım yoluyla ilk tasarım şemasını elde etmektir.. Kule tasarım gereksinimlerine ve tasarım koşullarına göre, iletim kulesinin temel yapısal formu ve temel parametreleri öncelikle tecrübeye dayanarak belirlenir.. İlk tasarım şemasının rasyonelliği tasarımcının tasarım deneyimine bağlıdır.. İkinci adım, mukavemeti kontrol etmek için sonlu elemanlar analizini kullanmaktır.. İlk tasarım şemasında bulunabilecek mantıksız parçaları iyileştirin. Üçüncü adım yapısal optimizasyon tasarımıdır, ve kısıtlamaları karşılama öncülü altında en uygun yapıyı bulun. Bu optimizasyon fikrinin şematik diyagramı Şekilde gösterilmektedir. 4. Geleneksel “ön tasarım-analiz ve doğrulama-geri dönüş modifikasyon-analiz ve doğrulama” ampirik tasarım yöntemi verimsizdir, zaman tükeniyor, ve yapı gereksiz ve ekonomik olmayabilir. Bu yazıda önerilen optimizasyon tasarım fikri, ampirik tasarımı orijinal temel olarak almaktadır., tasarımcıların öznel yaratıcılığına ve tasarım deneyimine tam anlamıyla yer verir, ve sonlu eleman simülasyon analizi ve optimizasyonuna dayanır. Modern optimizasyon algoritmalarını kullanır ve yinelemeli analiz gerçekleştirmek için bilgisayarların güçlü bilgi işlem gücünü kullanır.. En optimize yapıyı daha kısa sürede bulabilir, tasarım verimliliğini büyük ölçüde artırır, tasarım sonuçlarını optimize eder, zamandan ve kaynak maliyetlerinden tasarruf sağlar, ve iyi ekonomik faydalara sahiptir.

3 Çözüm

Bu makale bir iletim kulesinin sonlu elemanlar analiz modelini oluşturmaktadır. (dört tüplü kule), sonlu elemanlar analizi ve yapısal optimizasyon tasarımının yapıldığı temel, ve son olarak bir referans tasarım şeması elde edilir. Sonlu elemanlar modeli APDL dilini temel alır, parametrik kontrolü gerçekleştirir, yüksek derecede otomasyona sahiptir, ve farklı kule yüksekliklerine uyum sağlayabilir, çapraz çubuk pozisyonları, çapraz kol pozisyonları, Kule tiplerinin çeşitli kesit parametreleri ve malzeme parametreleri, Gelecekte benzer yapıların analizi için referans sağlamak. ek olarak, bu makale aynı zamanda kule tasarımına ilişkin genel bir fikir önermektedir, yani, ampirik tasarım-sonlu elemanlar yapısal analizi-optimizasyon tasarımı, bu da tasarım verimliliğini artırır ve maliyetlerden tasarruf sağlar, ve benzer mühendislik problemlerinin çözümü için referans sağlayabilir.