【文章內(nèi)容簡介】 作為標準工具的工程領域。一直以來，這種精確和有效的方法被開發(fā)應用于越來越廣泛的領域。例如，有限元仿真廣泛地應用于航空航天和原子能工業(yè)的安全臨界應用。由于本次畢業(yè)設計需要仿真輸電塔及其線路模型，所以選擇了結構力學模塊中的分支模塊桁架接口。桁架接口用于對只承受軸向力的細長結構建模。桁架利用的是拉格朗日形函數(shù)，既支持小變形理論，又支持基于GreenLagrange形變理論的大變形問題。桁架的例子如直邊桁架和重力作用的線纜(下垂線)，還包括阻尼、熱膨脹、預應力和預應變等更多特征。缺省材料模型是線彈性、結合非線性結構材料模塊，也可對塑性建模。 輸電桿塔模型的建立 建立輸電塔架有限元模型的方法有三種:梁架模型、桁架模型和梁桁混合模型。本次建立模型時選擇了桁架模型。桁架模型的桿件由桿單元組成的，設置輸電塔架桿件的連接節(jié)點為理想鉸接點，輸電塔架的實際剛度大于輸電塔架有限元模型的整體剛度。本次畢業(yè)設計中使用桿單元來構造輸電塔架的桁架模型，利用CAD軟件準確的建立出了輸電塔架上各個桿件。輸電塔架在Comsol Multiphysics軟件中坐標系為，塔腿中心為坐標原點，向右為 X 軸正方向，向上為 y軸正方向，輸電塔有限元模型坐標系的方位見圖 。圖 直線塔模型如圖 所示的模型為為本次設計所研究分析的ZB1 酒杯型直線塔架有限元模型，其輸電電壓等級為110kV。本次建立的模型共有節(jié)點數(shù)150個，關鍵點數(shù) 77 個，桿單元數(shù)290個，桁架單元的方向選取軟件默認方向，這樣可以方便分析和計算。為了方便后文分析，將此輸電塔架分為8段，此輸電塔的分段情況見圖 。圖 直線塔模型 本章小結 本章介紹了有限元思想和Comsol Multiphysics有限元軟件，同時建立了輸電塔有限元分析模型。(1) 對有限元思想進行了介紹，研究了輸電塔有限元建模方法，分析了建模時需要注意的問題。(2) 根據(jù)輸電桿塔在實際環(huán)境中受到外界載荷的影響，利用CAD軟件，見了2維的輸電線鐵塔。‘第三章 輸電桿塔體系的靜力學特性分析因為輸電塔線體系都修建在野外，所處的地理和氣候環(huán)境相對比較復雜，其受到的外力載荷情況也比較復雜，外力載荷具有隨機性和不確定性。輸電塔線體系所受的載荷按照性質的不同可以分為永久載荷、可變載荷和偶然載荷。輸電塔桿和導線的自重屬于永久載荷，自然狀態(tài)下的風載荷、覆冰載荷等屬于可變載荷，臺風、地震、斷線載荷等屬于偶然載荷.考慮到輸電塔架結構的復雜性，使用Comsol Multiphysics有限元軟件作為靜力學分析工具，對輸電塔架結構的各構件的剛度，結構強度以及穩(wěn)定性進行計算。 風載荷作用下的靜力學分析 對輸電單塔所受到的載荷情況進行研究時，發(fā)現(xiàn)單塔受到的載荷主要是作用于塔頭橫擔兩端的導地線的集中載荷。 風載荷輸電線路中的輸電單塔屬于具有高度對稱性的高柔性結構，由于其結構性質的特殊性，風載荷對輸電單塔影響很大，在風載荷的作用下容易引發(fā)輸電單塔傾斜或者倒塔事故。通常將風載荷分為動態(tài)風載荷和靜態(tài)風載荷和，設計人員會按照輸電線路的設計規(guī)程要求，對輸電單塔進行加載并計算。有限元分析過程中，對輸電單塔施加靜態(tài)風載荷進行分析時，通常分成兩部分:一是作用在塔身上的風載荷。根據(jù)輸電單塔所在區(qū)域的最大風速，計算出作用在鐵塔上的最大風載荷，然后分段施加到輸電單塔上。二是作用在輸電線上的風載荷，考慮輸電線作用的輸電塔線耦合體系，根據(jù)設計規(guī)范算出風載荷，并施加到導線懸掛點上，研究在風載荷作用下的輸電線對輸電鐵塔的影響。 輸電塔風載荷的計算根據(jù)設計規(guī)則[8]，作用在輸電塔架上風載荷按照下面的公式（31）進行計算：式中：作用在輸電塔h高度處單位投影面積上的風荷載標準值(kN/m}；：h高度處的風振系數(shù)；：基本風壓(kN/m2)，其取值不得小于 ；：風荷載體型系數(shù)；：高度h處的風壓高度變化系數(shù)。根據(jù)相關的設計規(guī)則，地面粗糙度等級選為 B 級，風壓高度變化系數(shù)的取值見表 風壓高度變化系數(shù)離地面高度（m）5101520304050輸電塔架的風載荷體型系數(shù)由塔架的風擋系數(shù)來決定，由于塔架的風擋系數(shù)（桿件的投影面積/塔架的面輪廓面積）。高度h處的風振系數(shù)可以由公式式(32)計算得到， （32）其中，為脈動增大系數(shù)；為風壓高度變化的影響系數(shù)；為振型的影響系數(shù)。脈動增大系數(shù)由的取值由決定，根據(jù)公式（33）計算得出塔架的第一自振周期， (33)其中，H為全塔高度，b為塔頭寬度，B為根開寬度。經(jīng)計算輸電塔架的周期T=，=，和的取值根據(jù)設計手冊查表得出。 輸電塔風載荷加載基本參數(shù)高度范圍0~55~1010~1515~2020~3030~4040~50（kN/m2）風載荷屬于面載荷，在加載的過程當中應當施加面載荷，但由于本次設計中建立的是2維的桁架模型并沒有面元素，所以本次分析將面載荷等效施加在主材的節(jié)點上，節(jié)點力的計算由公式(34)， (34)其中，是輸電塔架的迎風面積。輸電塔架桿件的迎風面面積，通常有兩種計算方法，第一種方法是根據(jù)實際結構計算出迎風面桿件的迎風面積；第二種方法是應用經(jīng)驗公式。填充系數(shù)為，迎風面積 =填充系數(shù)鐵塔輪廓面積，計算出迎風面。根據(jù)設計經(jīng)驗，～，按照密集程度的不同。，為分段施加風載荷的側視圖。 輸出塔計算節(jié)點風載荷高度范圍0~55~1010~1515~2020~3030~40（kN/m2）（m2）分段總載荷（kN） 輸電單塔在風載荷作用下的靜力學分析將建好的模型導入Comsol Multiphysics軟件中進行分析，計將風載荷分段加載到輸電塔架并求解后。通過Comsol Multiphysics軟件計算分析，可以發(fā)現(xiàn)在風載荷的作用下輸電塔頭偏移較大。從圖3可以看出輸電塔架迎風面的桿件受到拉應力作用，背風面的桿件受到壓應力作用。 總的看來，輸電塔架塔頭部分受力較大，容易出現(xiàn)變形和損壞，設計時需要注意加固措施。 輸電線在風載荷作用下的靜力學分析輸電線作為輸電線路的重要組成部分，它對輸電塔架的影響一般是通過絕緣子與塔架相連，豎直方向上懸掛，所以只受此方向上的拉力。本次研究中，將輸電線對電塔的影響簡化為質量點對輸電塔的影響。具體為施加了一個輸電線質量的質量點在二維塔桿的橫擔掛線點處，進行分析。輸電塔架在輸電線風載荷作用下的位移云圖（圖 ）的對比，可以發(fā)現(xiàn)以瞬時力作用在輸電塔架橫擔上的輸電線會使輸電塔的總位移量增大，輸電塔架的應力分布也發(fā)生了發(fā)生變化，設計輸電塔架時要盡量避免此類現(xiàn)象。通過Comsol Multiphysics軟件分析輸電塔架在加載最大設計風載荷后的分析結果，研究了輸電塔架的桿件軸力分布情況。結構靜力的分析結果顯示，在最大靜態(tài)風載荷作用下直線塔的最大位移出現(xiàn)在塔頭地線掛線處。綜上所述，根據(jù)理論計算得出的風載荷作用下，本文研究的直線塔的設計強度符合工程要求。 覆冰載荷作用下的靜力學分析 目前對輸電線路的覆冰載荷析研究主要有三種方法。第一種，在實驗室建立實際輸電線路的比例模型進行試驗和研究。第二種，去覆冰輸電線路的實際現(xiàn)場進行實時測量和記錄，并分析研究。第三種，建立實際尺寸的輸電線路模型，利用有限元原理分析，然后使用有限元分析軟件進行計算和分析。考慮到輸電線路工作環(huán)境十分復雜多變，現(xiàn)有的實驗條件和設備不能精確的還原輸電線路的覆冰狀態(tài)，所以本次對輸電線路的覆冰研究利用了第三種方法，通過有限元軟件Comsol Multiphysics建立模型來研究輸電線路在覆冰狀態(tài)下的狀態(tài)。 覆冰載荷冬季輸電線覆冰是會造成輸電線路故障，在覆蓋冰均勻時，冰層會使導線產(chǎn)生相應的應力，在設計高壓輸電線路時必須考慮導線覆冰應力參數(shù)。當線路覆冰不均勻時，在有強風的作用下，輸電線很容易產(chǎn)生導線舞動，導線不斷拉扯輸電塔，進一步會造成輸電塔的振動，輸電塔的振動又會使導線舞動現(xiàn)象更嚴重，最終可能會引起線路倒塔事故，導致輸電癱瘓，造成不可估量的經(jīng)濟損失。所以，對不同覆冰狀態(tài)下輸電塔線體系的力學特性分析是非常重要的工作。覆冰載荷的模擬主要采用以下三種方法: (1)附加力模擬法 通過對輸電導線節(jié)點施加等距的集中力來模擬覆冰現(xiàn)象，通過釋放外力來模擬