輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模擬方法及倒塌分析.pdf

1、輸電塔結(jié)構(gòu)是輸電塔線路的重要組成部分，一旦發(fā)生倒塌破壞，就會造成供電系統(tǒng)的中斷，給經(jīng)濟和社會帶來嚴(yán)重的影響。然而，根據(jù)統(tǒng)計，我國每年都會發(fā)生大量的輸電塔倒塌事故。輸電塔結(jié)構(gòu)特點是柔性大，阻尼小，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。為了更有效地對輸電塔結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，本文將采用結(jié)構(gòu)多尺度方法對輸電塔結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和性能進行研究。結(jié)構(gòu)多尺度方法是近年來結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的熱點和前沿。結(jié)構(gòu)多尺度方法對輸電塔結(jié)構(gòu)局部關(guān)心部件采用實體單元或殼單元建立精細(xì)模型，對其

2、余桿件建立整體尺度的梁模型。因此，結(jié)構(gòu)多尺度方法可以在輸電塔整體模型中考慮局部節(jié)點板和螺栓連接，進行多尺度分析可以同時獲得結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)和局部關(guān)心部件的響應(yīng)，包括局部節(jié)點板的應(yīng)力響應(yīng)。為了實現(xiàn)輸電塔結(jié)構(gòu)的多尺度分析和設(shè)計，本文主要進行了以下五個方面的研究工作：
　　(1)結(jié)構(gòu)多尺度建模的界面耦合方法研究。界面耦合方法對結(jié)構(gòu)多尺度計算精度有很大的影響。為了保證結(jié)構(gòu)多尺度模型界面耦合處的位移協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡，提出了一種新的基于約束方程的

3、界面耦合方法。根據(jù)界面虛功平衡方程建立了界面耦合的節(jié)點力和位移約束方程關(guān)系。給出了利用界面剛度矩陣建立約束方程的數(shù)值方法，并考慮非線性結(jié)構(gòu)多尺度分析的界面耦合。編寫了多尺度模型界面耦合的子程序，并給出在通用有限元軟件ANSYS和ABAQUS平臺上的實現(xiàn)方法。通過算例將提出的界面耦合方法與現(xiàn)有方法進行對比，表明所提出的方法具有更高的計算精度，尤其是對于界面耦合區(qū)域的應(yīng)力計算。
　　(2)輸電塔結(jié)構(gòu)的模型靜力與動力試驗。制作了一座縮尺

4、比例為1:10的輸電塔試驗?zāi)Ｐ?。試驗?zāi)Ｐ偷闹谱鳒?zhǔn)確考慮了幾何相似，包括螺栓和連接板均按照相似比進行設(shè)計加工。試驗?zāi)Ｐ陀?3種不同截面形式角鋼構(gòu)成，具有930個角鋼、402個連接板以及3649個螺栓。試驗從靜力和動力兩方面進行。靜力試驗在輸電塔導(dǎo)線橫擔(dān)中間施加集中荷載，測試輸電塔模型整體和局部部件的響應(yīng)信息，包括整體的位移響應(yīng)和關(guān)心節(jié)點板的應(yīng)變響應(yīng)。動力試驗主要進行了錘擊試驗，用于提取輸電塔整體的自振頻率和振型信息。試驗測試數(shù)據(jù)將用于檢驗

5、輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型和模型修正方法。
　　(3)輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度分析方法研究。對于輸電塔的試驗?zāi)Ｐ徒⒘硕喑叨扔邢拊Ｐ?。選取下曲臂和塔身連接節(jié)點建立三維實體精細(xì)模型。節(jié)點精細(xì)模型采用實體單元建模，考慮了螺栓連接的接觸問題。關(guān)心節(jié)點以外的其余桿件采用梁單元建模。多尺度模型界面耦合采用所提出的約束方程方法處理。最后，利用輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型進行靜力分析和模態(tài)分析，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證了多尺度模型的計算精度。
　

6、　(4)輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型修正方法研究。提出了一種基于Kriging方法的多尺度模型修正方法。建立了多尺度有限元模型修正的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用多尺度模型的整體位移響應(yīng)、局部應(yīng)變響應(yīng)以及動力特性信息，同時修正輸電塔結(jié)構(gòu)的整體和局部有限元模型。采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-II求解優(yōu)化問題實現(xiàn)多尺度模型修正。為了提高模型修正的計算效率，采用Kriging方法建立了代理模型，用來代替模型修正中的結(jié)構(gòu)多尺度分析。通過算例對比分析了Kriging

7、方法和幾種常用代理模型，結(jié)果表明Kriging代理模型對于高度非線性函數(shù)的逼近精度更高。最后，采用縮尺模型試驗獲得的靜力位移、應(yīng)變、頻率以及振型等數(shù)據(jù)，將提出的多尺度模型修正方法用于輸電塔結(jié)構(gòu)多尺度模型修正，驗證所提出模型修正方法的有效性。結(jié)果表明建立的多尺度模型修正方法可以有效改進多尺度模型對整體和局部響應(yīng)信息的計算精度。
　　(5)下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝顾Y(jié)構(gòu)多尺度分析研究。建立了下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝顾Y(jié)構(gòu)多尺度分析方法?？?/p>

8、慮下?lián)舯┝黠L(fēng)荷載的平均風(fēng)和脈動風(fēng)成分，根據(jù)下?lián)舯┝髂Ｐ蜕娠L(fēng)荷載時程。對輸電塔結(jié)構(gòu)建立了梁殼耦合的多尺度模型，對于輸電塔倒塌過程中變形較大的關(guān)鍵部件采用殼單元建模，其余構(gòu)件采用梁單元建模。分別采用輸電塔梁模型和多尺度模型計算下?lián)舯┝髯饔孟螺旊娝膭恿憫?yīng)和倒塌過程，并將計算結(jié)果進行對比分析。通過對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)多尺度模型計算動力穩(wěn)定性臨界荷載要低于梁模型。對多尺度局部精細(xì)殼模型的變形和等效塑性應(yīng)變進行分析，發(fā)現(xiàn)多尺度分析中考慮了螺栓連接引