Phân tích phần tử hữu hạn và thiết kế tối ưu hóa tháp truyền tải

trừu tượng:

Bài báo này sử dụng phương pháp phân tích tối ưu phần tử hữu hạn và nền tảng phân tích phần mềm ANSYS để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn và thiết kế tối ưu trên tháp truyền kết cấu (lấy tháp ống thép làm ví dụ). Trong phân tích cấu trúc, dựa trên ngôn ngữ APDL, mô hình phần tử hữu hạn tham số được sử dụng để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn về hoạt động cơ học của sơ đồ thiết kế ban đầu trong các điều kiện làm việc khác nhau, và các tính chất cơ học của kết cấu trong các điều kiện làm việc khác nhau được đánh giá. Trên cơ sở này, thiết kế tối ưu hóa được đưa ra để tối ưu hóa sơ đồ thiết kế ban đầu. Với tiền đề đáp ứng tiêu chí sức mạnh, tổng khối lượng của cấu trúc được tối ưu hóa và giảm bớt bằng cách 30%. Ngoài ra, bài báo này cũng đề xuất một ý tưởng chung về thiết kế tháp: thiết kế thực nghiệm-phân tích cấu trúc phần tử hữu hạn-thiết kế tối ưu hóa, giúp cải thiện hiệu quả thiết kế và tiết kiệm chi phí, và có thể cung cấp tài liệu tham khảo để giải quyết các vấn đề kỹ thuật tương tự. Từ khóa: phân tích phần tử hữu hạn; thiết kế tham số; tháp truyền; thiết kế tối ưu hóa cấu trúc.

Bối cảnh nghiên cứu

Tháp truyền tải là kết cấu chịu lực quan trọng trong thiết bị truyền tải điện. Sự an toàn, ổn định của chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sự vận hành thông suốt của toàn bộ hệ thống điện. [1]. Tải trọng trên tháp truyền tải cũng phức tạp và đa dạng. Thường, tải chính bao gồm trọng lượng của dây dẫn, lực gió, và băng. Dưới sự kết hợp của các tải khác nhau này, các tháp phải có đủ độ bền cơ học để đảm bảo hệ thống truyền tải hoạt động bình thường [2]. Các đường dây truyền tải cao thế hiện đại được thể hiện bằng đường truyền siêu cao áp có yêu cầu ngày càng cao hơn về tính chất cơ lý và độ an toàn của tháp. vì thế, Việc tiến hành phân tích cường độ kết cấu trên các tháp truyền tải để tránh hư hỏng nghiêm trọng cho tháp có ý nghĩa thực tế to lớn.. Phân tích tĩnh cơ học của tháp là cơ sở nghiên cứu tính chất cơ lý của tháp. Phương pháp thiết kế kết cấu tháp truyền thống là thiết kế theo kinh nghiệm, đó là, người thiết kế đầu tiên thiết kế sơ đồ ban đầu theo các yêu cầu liên quan, và sau đó kiểm tra cấu trúc theo cách thủ công. Nếu nó không đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học, cấu trúc được sửa đổi lại và kiểm tra lại, và quá trình này được lặp lại cho đến khi có được sơ đồ thiết kế cuối cùng. Phương pháp thiết kế này không hiệu quả, tốn thời gian, và phụ thuộc nhiều vào trình độ kinh nghiệm của người thiết kế. Phương pháp này thậm chí còn khó thực hiện hơn khi cấu trúc tháp truyền tải ngày càng phức tạp và đa dạng.. Với sự phát triển của cơ học tính toán hiện đại, phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn đã cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu quả của phân tích. Bài báo lựa chọn phần mềm ANSYS làm nền tảng phân tích để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn và thiết kế tối ưu trên tháp truyền tải.

1 Phân tích phần tử hữu hạn của kết cấu tháp truyền tải

1.1 Đối tượng nghiên cứu
Có nhiều loại kết cấu tháp truyền tải. Bài báo này nhằm mục đích phân tích cấu trúc của một loại cấu trúc tháp truyền tải mới hơn, tháp ống thép bốn ống. Tháp này là tháp ống thép góc 50° mạch đơn 220kV. Các thanh chính và xà ngang của nó được làm bằng ống thép. Tháp cao 50m, và đã biết vị trí, chiều rộng của ba thanh ngang theo chiều cao. Ngoài ra, tất cả các thông tin khác là không chắc chắn, chẳng hạn như khoảng cách của các thanh ngang, khoảng cách của các thanh đỡ ngang, thông số vật liệu, vật liệu chính, xà ngang, và kích thước mặt cắt ngang của thép góc. Trước tình hình này, thiết kế thực nghiệm nên được thực hiện trước tiên để xác định hình dạng cơ bản của tòa tháp, lấy sơ đồ thiết kế ban đầu, và sau đó tiến hành phân tích phần tử hữu hạn trên sơ đồ này. Trước khi tiến hành phân tích phần tử hữu hạn, cần đơn giản hóa kết cấu và chỉ tiến hành phân tích phần tử hữu hạn trên các bộ phận phản ánh được tính chất cơ học chính của kết cấu. Ví dụ, trong tháp truyền tải, các bu lông kết nối, Các tấm kết nối và các phụ tùng đính kèm có thể được bỏ qua trước tiên, và khung tháp có thể được phân tích, không chỉ có thể tập trung vào trạng thái ứng suất của kết cấu, mà còn tránh lãng phí quá nhiều tài nguyên máy tính.

1.2 Mô hình hình học
Sau khi nhập các thông số cố định, hình dạng hình học và các thông số cơ học chính của mô hình phần tử hữu hạn về cơ bản là cố định. Nó chủ yếu được sử dụng để phân tích cơ học các thông số thiết lập, và không thể được sử dụng để tối ưu hóa các biến thiết kế chính. Tính phổ quát còn kém. Bài báo tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế chính của tháp truyền tải. vì thế, cần áp dụng phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn tham số. Theo ý tưởng của mô hình tham số, dựa trên ngôn ngữ APDL, Toàn bộ mô-đun kết cấu tháp được chia thành bốn phần theo cấu trúc hình học: nguyên liệu chính, vật liệu chéo, tấm cánh tay chéo và vật liệu phụ trợ cánh tay chéo. Mô hình hình học lần lượt được thiết lập, và cuối cùng mô hình tổng thể có được bằng cách “đại hội đồng”. Sơ đồ nguyên lý của mô hình mô-đun được thể hiện trong Hình 1. Trong quá trình làm mẫu của bài viết này, một số kích thước hình học được tham số hóa, chẳng hạn như chiều cao ngang, khoảng cách xà ngang, chiều dài cạnh trên, khoảng cách vật liệu phụ ngang ngang, khoảng cách vật liệu phụ và mặt cắt ngang nghiêng. Sơ đồ nguyên lý của các kích thước được tham số hóa được hiển thị trong Hình 2. Trong sơ đồ thiết kế ban đầu, tất cả các vật liệu thép được đặt thành thép Q235 với cường độ năng suất 235MPa. Bản thân phần mềm phần tử hữu hạn chỉ thực hiện các phép tính số. Về hệ thống đơn vị, người dùng có thể tự mình thiết lập một hệ thống đơn vị khép kín. Để thuận tiện, Bài báo này sử dụng hệ đơn vị mm-ton-N-MPa trong phân tích.

1.3 Phân chia lưới

Cấu trúc tháp truyền tải có nhiều hình thức kết nối, và hình dạng mặt cắt ngang của các bộ phận rất đa dạng, và định hướng cũng như các điều kiện ứng suất tổng thể tương đối phức tạp. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn thông thường đơn giản hóa tháp thành mô hình giàn không gian. Các vấn đề chính như sau: Đầu tiên, chỉ xem xét lực căng dọc trục và lực nén của vật liệu chính, nhưng trên thực tế, Ngoài lực căng và nén dọc trục, vật liệu chính của tòa tháp cũng chịu mômen uốn và mô men xoắn phức tạp. Thứ hai, tại nút kết nối, bản lề đơn giản hóa không thể truyền mômen uốn. Kết nối tháp thực tế thường được kết nối bằng bu lông, sự hàn, vv. Đặc điểm liên kết cứng cụ thể là mômen uốn, cắt, vv. có thể được truyền đi tại kết nối, trong khi bản lề đơn giản hóa không thể phản ánh đầy đủ kết nối cứng thực tế. thứ ba, mô hình không thể hiển thị đầy đủ ứng suất cắt ngang của thành phần, và thường chỉ hiển thị ứng suất nút của mô hình phần tử hữu hạn. Theo đặc tính ứng suất của tháp truyền tải, bài viết này xem xét những ảnh hưởng phức tạp của sự căng thẳng, nén, uốn, và xoắn trên thanh, và sử dụng các phần tử chùm tia 3D (chùm189) để làm người mẫu. Cùng một lúc, sự khác biệt về hình dạng mặt cắt ngang và hướng của mỗi thanh được xem xét, và hình dạng và hướng của mặt cắt ngang được xác định. Trong quá trình xử lý hậu kỳ kết quả phân tích phần tử hữu hạn, ứng suất mặt cắt ngang được trích xuất, không chỉ là sự căng thẳng của nút. Xét các điều kiện ứng suất phức tạp của tấm tay đòn, phần tử vỏ (vỏ63) được sử dụng để chia lưới. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn đơn vị vỏ chùm tia 3D trong bài báo có thể tránh được các vấn đề của mô hình giàn, phản ánh các điều kiện ứng suất phức tạp của vật liệu chính và sự kết nối cứng nhắc của các điểm kết nối, phản ánh đầy đủ hình dạng mặt cắt ngang của các bộ phận và hiển thị ứng suất mặt cắt ngang của các bộ phận, và có thể phản ánh đầy đủ các đặc tính ứng suất tổng thể của tháp truyền tải.

1.4 Điều kiện biên

Tải trọng do tháp truyền tải chịu tương đối phức tạp, chủ yếu bao gồm trọng lượng bản thân, tải trọng gió, tác dụng của dây dẫn lên tháp, và tệp đính kèm (lớp phủ băng, phần cứng, vv). Ngoài ra, các tình huống đặc biệt như đứt đường dây cần được xem xét. Trong thiết kế tháp, việc tính toán tải tương đối thuần thục, và có nhiều chương trình tính toán đặc biệt có thể tính toán các điều kiện ứng suất của tháp trong các điều kiện làm việc và điều kiện khí tượng khác nhau, và sau đó tương đương với các điểm liên quan của tháp. Bài báo này sử dụng các “Hệ thống tính toán tải ứng suất đầy đủ MYLHZ” để tính toán các điều kiện ứng suất của tháp trong các điều kiện làm việc khác nhau. Cần lưu ý rằng chương trình này có thể tính toán các điều kiện căng thẳng của hàng trăm điều kiện làm việc. Sau khi phân tích thực nghiệm sơ bộ, bài báo này cuối cùng đã được chọn 5 điều kiện làm việc tương đối khắc nghiệt để phân tích chi tiết. Những cái này 5 điều kiện làm việc như sau. Điều kiện làm việc 13: gió mạnh, căng thẳng không cân bằng, 0-độ gió; điều kiện làm việc 16: gió mạnh, căng thẳng không cân bằng, 90-độ gió; điều kiện làm việc 25: lớp băng phủ, căng thẳng cân bằng, 0-độ gió; điều kiện làm việc 78: đứt dây, căng thẳng không cân bằng, không có gió, dây dẫn bị hỏng, 1, 3; điều kiện làm việc 87: cài đặt, bánh răng liền kề không bị treo, 90-độ gió, dây dẫn kéo 1. Điều kiện biên của lực tương đối, hạn chế dịch chuyển của tháp tương đối đơn giản, đó là, phía dưới 4 điểm bị ràng buộc hoàn toàn.

1.5 Phân tích và thảo luận kết quả mô hình phần tử hữu hạn

Bài báo này chủ yếu dựa trên tiêu chí độ bền khi tiến hành phân tích phần tử hữu hạn trên sơ đồ ban đầu, đó là, ứng suất tương đương tối đa của kết cấu không thể vượt quá cường độ năng suất. Trong trường hợp này, cấu trúc được coi là an toàn, nếu không thì được coi là khả năng hư hỏng kết cấu là cao. Sau khi phân tích, người ta thấy rằng trong điều kiện làm việc 25, độ dịch chuyển tối đa của tháp đạt 384mm và ứng suất tương đương tối đa là 330MPa, vượt quá giá trị năng suất của vật liệu 235MPa. vì thế, khả năng hư hỏng cấu trúc trong điều kiện làm việc này là tương đối cao. Xem hình 3 để biết chi tiết.

2 Thiết kế tối ưu kết cấu tháp truyền tải

2.1 Giới thiệu về thiết kế tối ưu hóa
Thiết kế tối ưu là một kỹ thuật nhằm tìm ra giải pháp thiết kế tối ưu, đó là tìm ra giải pháp thiết kế tối ưu có thể đạt được mục tiêu thiết kế trong điều kiện ràng buộc. Phần mềm quy mô lớn quốc tế ANSYS cung cấp mô-đun thiết kế tối ưu hóa và tất cả các tùy chọn ANSYS được tham số hóa có thể được sử dụng để thiết kế tối ưu hóa. Quá trình tính toán chính của thiết kế tối ưu hóa như sau: Đầu tiên, khởi tạo các biến và thiết lập mô hình tham số. Sau đó, theo hàm mục tiêu và các ràng buộc, kết hợp các biến thiết kế để thực hiện tính toán và phân tích phần tử hữu hạn, sử dụng phương pháp tối ưu hóa bậc 0 để thực hiện tìm kiếm và tối ưu hóa toàn cầu, và sau đó đánh giá sự hội tụ của kết quả. Nếu hội tụ, quá trình tính toán kết thúc và thu được kết quả tối ưu hóa; nếu không, điều chỉnh các biến thiết kế và tính toán lại cho đến khi hội tụ..

2.2 Cài đặt các tham số tối ưu hóa
Theo ý tưởng cơ bản của thiết kế tối ưu hóa, ba điểm chính của thiết kế tối ưu hóa bao gồm việc lựa chọn các biến thiết kế, các ràng buộc và hàm mục tiêu. Vì hình thức cơ bản của kết cấu tháp đã được xác định, nhưng vẫn còn nhiều thông số có thể thiết kế được, một số thông số chính được chọn để tối ưu hóa. Bài báo này chọn lọc 16 các biến như chiều dài cạnh đáy, chiều dài cạnh trên, khoảng cách xà ngang, và kích thước mặt cắt ngang là các biến thiết kế. Việc tối ưu hóa dựa trên tiêu chí sức mạnh, vì vậy việc lựa chọn ràng buộc tương đối đơn giản, đó là, ứng suất mặt cắt tối đa của các đơn vị khác nhau không thể vượt quá cường độ năng suất 235MPa.

2.3   Lựa chọn hàm mục tiêu
Cấu trúc ban đầu
Hàm mục tiêu của bài báo này tương đối đơn giản, đó là, tổng khối lượng của kết cấu. Mục đích của việc tối ưu hóa là giảm tổng khối lượng của kết cấu. Theo kết quả phân tích phần tử hữu hạn của từng điều kiện làm việc, trong năm điều kiện làm việc, mức độ nguy hiểm giảm dần từ điều kiện làm việc 25 đến điều kiện làm việc 78 và cuối cùng là điều kiện làm việc 87. Vì sự thận trọng, bài báo này chọn điều kiện làm việc nguy hiểm nhất (điều kiện làm việc 25) như điều kiện làm việc tối ưu. Dưới điều kiện làm việc này, kết quả tối ưu hóa sẽ làm cho kết cấu có xu hướng an toàn hơn.

2.4   Thiết lập thuật toán tối ưu hóa
Thuật toán tối ưu hóa ANSYS chuyển đổi bài toán tối ưu hóa bị ràng buộc thành bài toán tối ưu hóa không bị ràng buộc bằng cách xấp xỉ hàm mục tiêu hoặc thêm hàm phạt vào hàm mục tiêu. Thường có hai loại thuật toán, thuật toán bậc 0 và thuật toán bậc nhất [3]. Thuật toán bậc 0 còn được gọi là phương pháp trực tiếp, không sử dụng thông tin đạo hàm riêng cấp một. Thuật toán bậc nhất còn được gọi là phương pháp gián tiếp, sử dụng thông tin đạo hàm riêng cấp một. Nói chung, thuật toán bậc nhất có số lượng tính toán lớn và độ chính xác cao của kết quả tính toán, trong khi thuật toán bậc 0 có một lượng tính toán nhỏ, tốc độ hoạt động nhanh, và độ chính xác thấp của kết quả, nhưng về cơ bản nó có thể giải quyết được hầu hết các dự án. Bài báo này lựa chọn thuật toán bậc 0. Thuật toán bậc 0 phù hợp với hàm đáp ứng của các biến thiết kế, biến trạng thái, và các hàm mục tiêu dựa trên một số lượng mẫu nhất định, rồi tìm kiếm giải pháp tối ưu. Bài viết này đặt tham số điều khiển vòng lặp thành 50. Sau khi thiết lập các biến thiết kế, hạn chế, hàm mục tiêu, thuật toán tối ưu hóa và các thông số khác, tối ưu hóa lặp đi lặp lại được thực hiện, và kết quả tối ưu hóa cuối cùng đã thu được, như thể hiện trong bảng 1. Theo bảng 1, với tiền đề đáp ứng tiêu chí sức mạnh, tổng khối lượng của kết cấu giảm xuống còn khoảng 25t, với mức giảm tới 30%.

3.5 Ý tưởng thiết kế tối ưu hóa kết cấu

Từ phân tích phần tử hữu hạn cấu trúc ở trên đến thiết kế tối ưu hóa cấu trúc, một ý tưởng phổ quát có thể được tóm tắt. Bước đầu tiên là thu được sơ đồ thiết kế ban đầu thông qua thiết kế thực nghiệm. Theo yêu cầu thiết kế tháp và điều kiện thiết kế, dạng kết cấu cơ bản và các thông số cơ bản của tháp truyền tải được xác định trước tiên dựa trên kinh nghiệm. Tính hợp lý của phương án thiết kế ban đầu phụ thuộc vào kinh nghiệm thiết kế của người thiết kế. Bước thứ hai là sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để kiểm tra cường độ. Cải thiện những phần chưa hợp lý có thể tồn tại trong phương án thiết kế ban đầu. Bước thứ ba là thiết kế tối ưu hóa cấu trúc, và tìm ra cấu trúc tối ưu với tiền đề đáp ứng các ràng buộc. Sơ đồ nguyên lý của ý tưởng tối ưu hóa này được thể hiện trong Hình 4. truyền thống “thiết kế sơ bộ-phân tích và xác minh-trả về sửa đổi-phân tích và xác minh” phương pháp thiết kế thực nghiệm không hiệu quả, tốn thời gian, và cơ cấu có thể dư thừa và không kinh tế. Ý tưởng thiết kế tối ưu hóa được đề xuất trong bài viết này lấy thiết kế thực nghiệm làm cơ sở ban đầu., phát huy tối đa khả năng sáng tạo chủ quan và kinh nghiệm thiết kế của các nhà thiết kế, và dựa trên phân tích và tối ưu hóa mô phỏng phần tử hữu hạn. Nó sử dụng các thuật toán tối ưu hóa hiện đại và sử dụng sức mạnh tính toán mạnh mẽ của máy tính để thực hiện phân tích lặp. Nó có thể tìm thấy cấu trúc được tối ưu hóa nhất trong thời gian ngắn hơn, cải thiện đáng kể hiệu quả thiết kế, tối ưu hóa kết quả thiết kế, tiết kiệm thời gian và chi phí tài nguyên, và có lợi ích kinh tế tốt.

3 Phần kết luận

Bài báo xây dựng mô hình phân tích phần tử hữu hạn của tháp truyền tải (tháp bốn ống), dựa trên đó thực hiện phân tích phần tử hữu hạn và thiết kế tối ưu hóa cấu trúc, và cuối cùng thu được sơ đồ thiết kế tham khảo. Mô hình phần tử hữu hạn dựa trên ngôn ngữ APDL, thực hiện kiểm soát tham số, có mức độ tự động hóa cao, và có thể thích ứng với các độ cao tháp khác nhau, vị trí xà ngang, vị trí chéo, các thông số mặt cắt khác nhau và thông số vật liệu của các loại tháp, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc phân tích các cấu trúc tương tự trong tương lai. Ngoài ra, bài báo này cũng đề xuất một ý tưởng chung về thiết kế tháp, cụ thể là, thiết kế thực nghiệm-phân tích cấu trúc phần tử hữu hạn-thiết kế tối ưu hóa, giúp cải thiện hiệu quả thiết kế và tiết kiệm chi phí, và có thể cung cấp tài liệu tham khảo để giải quyết các vấn đề kỹ thuật tương tự.