将模拟转化为生产力
广州安世亚太
茶晶
0.摘要
在国产结构仿真软件PERA SIM Mechanical中建立输电塔有限元模型，以多种工况为边界条件施加载荷，对塔进行静力分析，得到不同工况下塔的位移和最大应力。研究结果可为铁塔力学分析等后续研究提供理论基础，对日常运行维护工作具有一定的指导意义。
关键词：输电线路；铁塔；静力学
1. 简介
铁塔作为输电线路的重要组成部分，其安全可靠性直接影响着整个电网的正常运行。随着山区风电的快速发展，越来越多的输电塔建设在气候相对恶劣的山区，塔身损伤(包括塔身倒塌、横担断裂、扭曲变形、地线断线及绝缘子脱落事件)频频发生，给电网的安全运行带来不利影响，严重损害发电企业的经济效益，对铁塔力学性能的研究有着必要的理论意义和实用价值。由于铁塔实际工作环境相对复杂，现有设计规范中基于概率理论的极限状态设计方法，是在铁塔荷载和材料强度校核值的设计方法上存在一定的弊端，实践表明，该方法只能满足基本的设计需要，在复杂的环境下会与实际情况有很大的差距。
有限元方法是目前应用最为广泛的数值模拟方法，其基本原理是将连续体离散化，将解区域看作一组有限个数和大小的单元，具有数值计算简单、灵活、有效等特点，已迅速发展成为一种解决各领域物理方程的通用近似计算方法，目前已在许多科学领域和实际工程问题中得到广泛应用和重视。软件PERA SIM Mechanical对塔架结构进行有限元分析，其分析结果可靠性高，可为塔架的初步设计和后续的加固提供理论依据。
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2.问题描述
2.1 塔参数
本文研究对象为某型输电铁塔，该塔高19m，总高37.5m钢结构分析软件，总质量15.67t。塔柱主材为Q420高强钢，其他塔材为Q345、Q235钢。塔体主体结构由角钢、节点板、螺栓等组成，根据受力特点，不同部位采用不同的角钢规格。
2.2 问题简化
为简化模型，建模过程中忽略节点板、螺栓等构件的影响，对于其他构件，通过考虑其质量，将其影响等效为等效。
3 有限元模型的建立
3.1 模型建立与简化
根据以上信息及问题的简化，塔的柱子及连接结构采用Beam单元模拟，材料的标准密度定义为7.85E-9 t/m3，弹性模量为2.06E5 MPa，泊松比为0.3。设计图定义了各种型钢截面。塔的整体有限元模型如图1所示：
图1 塔的简化几何模型
3.2 网格划分
由于采用梁单元，因此划分网格时只需指定网格尺寸。本模型中，网格划分时单元尺寸设置为100 mm。
3.3 材料定义
塔架材料采用线弹性本构模型，材料根据上述参数进行定义。
3.4 部分定义
由于采用的是梁单元，因此在赋值属性时需要指定梁单元的截面，在PeraSim中可以先指定梁类型为Timoshenko梁，然后直接从截面库中选择“L”截面，再按照塔的角钢尺寸参数输入相应的截面属性值，完成材料定义和截面定义后，将材料和截面都赋值给相应的梁单元。
3.5 边界条件
该模型的边界条件分为底角固定约束。
3.6 塔载荷计算
杆塔所受载荷可分解为垂直载荷（垂直于地面）、横向水平载荷（沿横担方向）、纵向水平载荷（沿线路方向），本文研究的杆塔为直杆塔，主要承受垂直载荷和横向水平载荷。根据当地气候条件，载荷计算考虑正常运行状态，气候条件为风速25m/s，线路及杆塔覆盖15mm厚的冰。
3.6.1 垂直荷载G
（1）导线、地线、绝缘子串及金具的重力载荷。在有限元模型中，此部分以集中点载荷形式施加到横担相应的悬挂点上。
（2）塔架本身的重力载荷。由于有限元建模过程中忽略了节点板、螺栓等辅助结构，导致有限元模型中塔架自重过小。这可以通过定义一个密度增加系数来等效。
2.6.2 横向水平荷载 P
（1）导线、地线、绝缘子串及金具所受的风压。此部分以集中点载荷的方式施加在有限元模型中横担相应的悬挂点上。
（2）塔架本身的风载荷。此部分在有限元模型中以集中点载荷的形式分段施加到塔腿顶部、塔身和塔头上。
图2 塔架荷载施加图
4 计算结果分析
3.1 计算分析设置
对于结构固有频率的计算，采用模态分析，对于本模型，前6个固有频率就足够了，设置完成后，可以直接提交作业进行计算。
3.2 静力计算结果
计算完成后，可以通过右键点击相应作业进入后处理模块加载结果，计算出的变形和应力如下：
图3 塔身变形云图
图4 塔体应力云图
从铁塔变形云图可以看出，塔顶变形较大钢结构分析软件，达到87.3mm，整体来看，变形量从上到下呈减小趋势，根据荷载分析，主要由风荷载引起。从铁塔应力云图可以看出，铁塔整体应力呈现典型的弯曲应力状态，左侧为拉应力，右侧为压应力，最大应力为56.9MPa，位于左侧支撑脚处。这也从侧面说明，整座塔主要承受风荷载。
5. 结论
本文利用安塞姆亚太公司自主研发的结构仿真软件PERA SIM Mechanical对某输电塔进行有限元分析，得到以下结论：静力分析可知，该塔最大变形为87.3mm，发生在塔顶，最大应力为56.9MPa，发生在左柱底部支点处，应力强度有较大的富余。
综上所述，作为国产自主研发的仿真分析工具，PERA SIM Mechanical是一款功能齐全、全面的输电塔计算工具，从几何模型的建立、网格划分、材料定义、截面定义到边界条件的施加、分析求解的控制以及结果的后处理均能提供较好的支持，完全满足工程实际应用需求。
安森亚太拥有行业内完整的自主仿真技术体系，引领中国自主仿真技术发展，自主研发的PERA SIM通用仿真软件可提供通用物理场（结构、热、流体、电磁、声学）及耦合场分析功能，以及可应用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前、后处理器。
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