基于ANSYS的输电线路杆塔有限元分析毕业论文.docx

基于ANSYS的输电线路杆塔有限元分析毕业论文.docx

《基于ANSYS的输电线路杆塔有限元分析毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ANSYS的输电线路杆塔有限元分析毕业论文.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ANSYS的输电线路杆塔有限元分析毕业论文

毕业论文声明

本人郑重声明：

1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。

除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。

对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。

本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。

3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。

4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。

论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。

学位论文作者（签名）：

年月

关于毕业论文使用授权的声明

本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。

本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。

同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。

本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。

如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。

本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。

本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：

按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。

在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。

论文作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

本　　科　毕　业　论　文

本科毕业设计

题目：

基于ANSYS的铁塔动态特性及稳定性有限元分析

catalog

摘要

对于现阶段输电铁塔测试开销昂贵、试验前有必要进行对输电铁塔的模拟仿真。

输电铁塔作为电力输送的支柱，近年来，随着国民经济的快速增长，电力业发展迅疾，对输电铁塔行业飞速发展起到了推波助澜的作用。

因此整个电力系统的安全与经济运行主要在于铁塔的安全可靠性。

在本篇论文中，有限元分析软件ANSYS与铁塔实验分析及检验各种工作条件下的响应分析研究，并比较铁塔数据，确保模型的真实性和正确性，在风荷载及雪载荷作用下的动力响应计算的塔，研究表明，有限元模型可以模拟试验塔的实际受力情况，为后续实验提供依据。

关键词：

ANSYS；输电铁塔；有限元；建模；动态特性；稳定性

Abstract

Accordingtotherealtowertestcostly,testmustbecarriedoutbeforethesimulationproblem.Transmissiontoweraspowertransmissionbackbone,inrecentyears,withtherapidgrowthofthenationaleconomy,therapiddevelopmentofelectricpowerindustry,topromotetherapiddevelopmentoftransmissionlinetowerindustry.Safeandeconomicoperationofthesafetyandreliabilityofthetowerisdirectlyrelatedtopowersystem.

Inthispaper,thefiniteelementanalysissoftwareANSYSsimulationstudyfromthestaticstabilityoftransmissiontowerbasedonexperimentaldataandcomparedwiththetower,toensuretheaccuracyofthemodel,,thecalculationofpowertowerinthewindload,snowloadandseismicactionundertheimpactloadcausedbytheresponse;theresultsshowthatthefiniteelementmodelcansimulatethetowertestwhentherealstresscondition,providethebasisforsubsequenttowertestsimulation,thetowertypeetc..

Keywords：

ANSYS；powertransmissiontower；finiteelementmethod；Modeling；dynamicbehavior；wholestability

引言

中国的经济建设从改革开放以后呈现百花齐放的蓬勃发展的状态，而作为中国的一项基本工业——电力，其他产业的发展的快慢直接受制于电力产业的发展。

近年来，电力需求大幅增长的大城市，而热，水力和核能发电设备，大多数都远离城市，现如今社会正朝着发展高电压，大容量输电线路的建设方向稳步前进着。

电力系统的组成部分有很多，其中最重要组成部分就是大容量、高电压的架空输电线路，这也是必不可少的组成部分。

也是电力传输，主要的链接交换，分配和功率调节系统。

输电塔作为输电线路的支柱，总投资额的40%核算都由输电线路的输电铁塔承担，占有相当大的比重，电力系统的安全与经济运行与输电铁塔的安全可靠性息息相关，在现代社会越来越受到人们的关注。

第一章绪论

1.1国内外关于铁塔的研究现状

国内铁塔设计方法有很多，手工计算是最为传统的一种。

结构矩阵分析方法通常是进行力学性能分析时的常用办法，确定其横截面积的大小时是基于强度条件和铁塔杆件的稳定性条件，在铁塔设计的选材工作的完成的方面。

铁塔设计经验丰富者是完成这诸多方面的主力军。

输电铁塔主要在电网建设方面起决定性作用。

中国长期以来一直存在电力供应的严重不平衡的情况，电网投资的短板已成为制约电力工业健康发展的瓶颈。

今后中国将继续在电网建设的大规模投资，行业景气的1C-SJ1-27m110KV输电塔将保持较高水平。

有限元法发作为一种最有效的方法，在工程领域的计算数学和计算科学的现代计算中的原因是伴随着计算机技术及软件的飞速发展，根据铁塔的结构和有限元方法的的优势体现在其复杂性，有限元分析法是目前国内外学者最热衷的关于铁塔问题分析研究的方法。

截止到2015年，在中国境内，对于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的研究，就基于有限元模型分析1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔时，在工程处理方面，空间桁架模型或空间钢框架模型是主要的采用方案，在塔结构静强度优化设计的一个更高的水平，和设计的理论依据是完美的，相应的。

目前，如何将逐渐成为一个热门的方法应用于国内外的桁架结构和极限理论的现代非线性分析的输电塔结构分析和输电塔结构设计分析，国内一些学者在塔的整体稳定性分析的非线性分析开始做研究，并提出了一些方法。

1.2本文工作

本文运用有限元仿真模型，以及利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行有限元分析，以1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔为计算实例，对它进行了十阶模态分析以及在大风工况（14N）下和大雪工况（10N）下的分析。

下面几个方面是本文的工作的主要内容:

（1）针对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔空间结构特点，采用有限元计算模型1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔用在基于ANSYS对铁塔进行有限元分析时，利用ANSYS有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行了建模;

（2）利用ANSYS有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔进行静力分析，研究铁塔在大风工况（14N）、大雪工况（10N）下构件的内力、变形;

（3）在对1C-SJ1-27m110KV输电铁塔杆塔进行模态分析时采用ANSYS软件对其进行分析，对振动固有频率以及各阶振动振型进行了大量研究。

除此之外同时对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的重力以及线重对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的影响方面关于动态特性的进行了研究;

（4）利用大型通用有限元分析软件ANSYS有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV输电铁塔杆塔进行风载荷、雪载荷分析

（5）对拉线型输电铁塔提出想法和简要分析

第二章1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的有限元建模

2.11C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔概述

高压输电的重要组成部分是输电线塔。

作为支撑线，地线及其他配件及对安全距离的掌控是输电线塔最主要的功能，在安全距离的掌控方面，导线到地面，交叉或其他建筑物要尤为关注。

针对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔导线的电压水平，气候条件，地形输电塔结构的变化，以及各种因素改变操作条件建设，各种形式的。

在国内方面，建塔方案有诸多种，而自立式铁塔的建塔可行性方案也有很多。

在这多如浩瀚烟海般的方案之中螺栓、角钢和钢板的这种建模方案是被采用最多的方式，在构件制作方面，完全由由钢板、角钢制作来完成，1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔螺栓联接组合而成占有很大比例来负责构件的链接部位。

2.21C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立

铁塔建立是在大型通用软件ANSYS中建立，利用软件功能建立坐标系及关键点，其模型CAD图如下，具体数据参考图中1C-SJ1-27m铁塔数据：

图3.2

2.31C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立

本文在针对铁塔研究时以1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔高为27m的铁塔进行分析，它的结构简图如下图所示：

图2.3

图2.31

图2.32

图2.33

1C-SJ1-27m110KV铁塔由各种型钢及角钢组装组成，梁单元是1C-SJ1-27m110KV铁塔重要材料和横隔材料，除此之外杆单元在材料成分方面视为斜材料，如图所示，1C-SJ1-27m110KV铁塔联接处中央的轴线彼此相交而形成为1C-SJ1-27m110KV铁塔模型的节点，包括梁单元与杆单元在内的模型单元是由两节点之间存在的角钢简化而来的。

2.41C-SJ1-27m110KV铁塔的计算载荷

2.4.11C-SJ1-27m110KV铁塔的外载荷简介

高压输电塔之所以通常可以分为三个部分，是因为力的方向是不同的：

首先横向荷载是第一部分：

作用在塔架结构沿水平方向载荷；第二部分是纵向载荷：

对铁塔横担方向作用在塔架结构的垂直荷载；第三部分：

沿竖向荷载作用在1C-SJ1-27m110KV塔架结构的竖向荷载。

除此之外，承载和传输塔之所以可以分为三个部分，主要是根据其载荷的作用方式：

首先永久荷载是第一部分：

在自重力塔，铁塔导线，铁塔绝缘子都包括的情况下，金具等固定设备重力也涵盖其中；第二部分是可变荷载风荷载，这包括：

导线和铁塔绝缘子在大雪工况下的覆冰荷载，施工的维护和临时载荷以及导线的张力也大都涵盖其中；特殊荷载作为第三部分：

负荷因地震引起的负荷断线以及地震荷载都包括在内，在特殊复杂的地形区域或者山坡上，由于不均匀的负荷不平衡造成的冰的张力。

在这过程中1C-SJ1-27m110KV输电线路杆基于ANSYS的有限元计算，其中在载荷这一方面可变的荷载分为横向荷载根据所需计算，、永久荷载也分为横向荷载根据所需计算和特殊荷载还是分为横向荷载根据所需计算。

除此之外呢垂直的载荷作用在1C-SJ1-27m110KV塔上的节点是来源于上述的分解作用，另外纵向的载荷以及竖向的载荷作用在1C-SJ1-27m110KV塔上的节点也是来源于上述的分解作用

2.4.21C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔载荷计算

在针对铁塔分析过程中，1C-SJ1-27m110KV铁塔的计算载荷主要分为1C-SJ1-27m110KV铁塔自身的载荷以及1C-SJ1-27m110KV铁塔的外部载荷;1C-SJ1-27m110KV铁塔的自身重力是自身载荷的主要来源，而而1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的静态外部载荷和动态载荷又是铁塔外部载荷的两个分支。

本文承受导线、地线、金具等的重量以及;大风工况下的风载，大雪工况下的低温载荷、导线的安装过程、地线的安装过程时的1C-SJ1-27m110KV铁塔内部来源方面是载荷的来源;1C-SJ1-27m110KV铁塔的静态外载荷大都来自于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔导线、1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔地线断相时的载荷。

在《架空输电线路杆塔结构设计技术规定（2002年）》的详细介绍中可以看出，正常大风工况、覆雪工况、1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔拉力差形成的部位是地线，在此时的工况、以及安装工况分为两种：

导线安装与吊地线安装皆属于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔危险工况之一（在静态分析计算时）。

2.5小结

本章针对1C-SJ1-27m110KV铁塔分析时，着重点立足于结构特点，桁梁混合有限元分析模型被确认使用在基于ANSYS的有限元分析计算中进行分析，ANSYS作为被使用最多的大型通用有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行建模，也对1C-SJ1-27m110KV铁塔在各种工况下的外部载荷进行了讨论分析判断。

第三章1C-SJ1-27m110KV铁塔有限元分析

3.11C-SJ1-27m110KV铁塔的静力分析

静力分析作为输电线路自立式铁塔力学分析的基础，以1C-SJ1-27m110KV铁塔杆件的内力（静态条件下）以及地基作用力（基础状态下）对1C-SJ1-27m110KV铁塔对作为理论依据的的铁塔设计方案在铁塔设计中通常是优化设计，其中的基础作用力也是静态作用力。

这也是本文首先对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行静力分析的原因。

在第二章中进行有限元建模时是针对1C-SJ1-27m110KV铁塔为实际例子的，同时在各种工况下（包括大风（14N）工况，大雪（10N）工况等等）1C-SJ1-27m110KV铁塔在的外围部分载荷进行了讨论分析判断。

以下是1C-SJ1-27m110KV铁塔的静力分析图

图3.11C-SJ1-27m110KV铁塔自重图

图3.1.11C-SJ1-27m110KV铁塔静力分析线重+自重静力分析图

图3.1.21C-SJ1-27m110KV铁塔静力分析图

3.21C-SJ1-27m110KV铁塔的模态分析

指定求解类型为模态分析作为制定求解模型进入求解器;模态提取方法指定，大型通用有限元分析软件ANSYS中的模态提取方法有7种:

子空间法和Reduced法、BlockLanczos法或者PowerDynaimics在大多数问题解决与分析中相较于其他方法，这三种方法其实就足够，在很特殊情况下其他方法才有可能被用到。

本例对1C-SJ1-27m110KV铁塔所进行的模态分析采用兰索斯法。

以下是1C-SJ1-27m110KV铁塔十阶模态分析：

图3.2.1

图3.2.2

图3.2.3

图3.2.4

图3.2.5

图3.2.6

图3.2.7

图3.2.8

图3.2.9

图3.2.10

3.3小结

对于1C-SJ1-27m110KV输电铁塔，杆件的内力的引起主要来源于1C-SJ1-27m110KV输电铁塔结构的导线重量（包括作用力产生1C-SJ1-27m110KV输电铁塔导线上的这一部分），从这来看，初始应力范畴中相当于1C-SJ1-27m110KV铁塔的杆件包括在范畴内，1C-SJ1-27m110KV铁塔结构的有效刚度的减少主要在于受轴向初始应力作用的结构杆件，振动频率有所降低以及1C-SJ1-27m110KV输电铁塔结构的振动特性影响主要来自于以上的原因

第四章1C-SJ1-27m110KV输电铁塔的整体稳定性分析

4.11C-SJ1-27m110KV铁塔的在大风工况下（14N）的风振响应

1C-SJ1-27m110KV铁塔的风振响应（90度14N大风）在基于大型通用有限元分析软件ANSYS的分析时，铁塔结构的风振系数是首先分区域计算出来的，1C-SJ1-27m110KV铁塔各个迎风构件考虑风振响应时的风载荷由风载荷计算公式计算得来，根据计算结果，在1C-SJ1-27m110KV铁塔的各个节点上施加所计算得到的杆件风载荷，在对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行风振响应的结构分析计算时主要使用静态分析方法进行分析。

下图是考虑自重、线重、14N风载：

图4.11

图4.12

图4.1.31C-SJ1-27m110KV铁塔风振响应图

4.1.1铁塔在大风工况下的分析

工程结构的的重要设计载荷有很多种，风载荷是其中极为重要的组成部分。

高楼大厦，拥有比较高的结构化物体，比如常见的工厂内部烟囱、电杆、以及具有比较高结构化的塔楼，主要的作用常常由风载荷来承担。

建筑物的实体，在很大一种程度上造成了阻碍，而这一部分因素是影响空气流动的主要原因，压力或吸力正因如此会在在建筑物表面形成，建筑物所受到的风载荷大都来源于这些被称为压力或者是吸力。

通过查阅实际测量得资料表，建筑物的表面风载荷的分布不是均匀的，地处的位置方向、建筑物的形态外观、建筑物的地基以及拔起的高度、还有在建筑物周围一系列自然地质因素，这种种的一切都与风载荷的大小等因素有着密切关系。

风力这一概念比较模糊，在日常生活中我们常常说风的强度即为风力，风级被用来表示风力，对工程结构造成威胁风力是来源于风力达到7级或7级以上，这样的大风甚至可能导致建筑物的损毁和倒塌。

我们将风速转换为风压来表示风力的大小以便于结构的实际设计计算。

垂直于风向的平面在最大风速时上所受到的压力统称为风压。

风速与风压与

之间有

普遍应用公式为:

式中:

:

单位体积的重力（KN/m2}

v:

风速。

根据上式，各种工程中常用的风压为：

=

具有静力和动力作用的双重特点的风载荷，稳定风是其静力部分的名称，脉动风是动力部分的名称。

将风载荷作为静力载荷来处理用于分析稳定风对工程结构的影响，换句话说就是风振系数取为1.0。

首先，比较1C-SJ1-27m110KV铁塔不考虑风振响应与考虑风振响应所得到的不同的杆件内力图，这些都是在正常大风工况下进行的，可以发现铁塔的其他杆件内力比塔腿主材内力小很多，杆件受压内力的来源是最大内力，由于1C-SJ1-27m110KV铁塔是前后对称结构，本文只列出了一根塔腿的杆件内力状态

内力图有很多种外部状态的情况，其中不考虑风振影响铁塔杆件是本文研究内力图的一种。

正常大风工况下，我们可以通过蛛丝马迹来看出1C-SJ1-27m110KV铁塔塔座这一部位所考虑的大风振动影响，1C-SJ1-27m110KV铁塔塔座这一部位不考虑大风振动影响的内力放大基本一致，前提是在正常大风工况下。

塔座延展部位杆件内力的变化，在铁塔方面相应而增加。

在计算1C-SJ1-27m110KV铁塔强度时，内力放大对铁塔强度的影响应该考虑进去。

在《国家建筑物设计技术规定（2000）》中有这样的规定，我们本文研究的，1C-SJ1-27m110KV铁塔高度为27米，风载荷调整系数采取为1.5，杆件内力计算是重中之重，因此计算铁塔一定要考虑影响有风载荷的影响，风载荷在杆塔的各个高度都有一定的调整，而在这些调整上我们的做法是统一采取一个系数。

系数（风振系数）根据《国家建筑物设计技术规定（2000）》规定,在计算铁塔的风振响应时采用等效静力的方法根据规范规定并利用大型通用有限元分析软件ANSYS分析，从结果可以看出，杆件内力方面上面的结果比铁塔变形的结果要大，这些都是根据规范所得的，以正常大风工况下如按照上述设计技术规定选择铁塔的截面的安全可靠性是不行的。

安全性作为一个重要的课题，我们在以外载荷预定状态下，我们文中的铁塔是否安全为目的。

两种基本形式可以完美的诠释结构的损毁。

强度破坏是第一种，截面材料的最大抵抗能力小于此时截面的内力。

4.21C-SJ1-27m110KV铁塔雪载工况

本文在使用ANSYS软件进行1C-SJ1-27m110KV铁塔的雪载分析，在1C-SJ1-27m110KV铁塔的各个节点上施加所计算得到的杆件雪载荷，对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行雪载响应的结构分析计算时通常使用静态分析的方法进行分析。

图4.21

图4.2.21C-SJ1-27m110KV铁塔雪载工况图

4.31C-SJ1-27m110KV铁塔的整体稳定性分析方法

对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行稳定性分析时通常采用桁梁模型进行分析，空间桁梁结构由杆单元和梁单元组成是对1C-SJ1-27m110KV铁塔的简化。

在1C-SJ1-27m110KV铁塔结构的整体稳定性分析中，如果铁塔的影响单独考虑轴向力的影响，进行计算时梁单元应退化为杆单元来考虑，结构整体稳定性的影响是主要来源于1C-SJ1-27m110KV铁塔某些杆单元（梁单元退化为杆单元）失稳，和整体稳定性分析时的误差。

透过1C-SJ1-27m110KV铁塔构造的特点的分析，1C-SJ1-27m110KV铁塔结构为高次超静定结构这一现象我们不难发现。

但是对于1C-SJ1-27m110KV铁塔整个来说，整个铁塔的内力重分布的引起是由于某一些杆件发生失稳，整个结构稳定性的丧失却不一定会因此发生。

在极限载荷作用下，我们假定1C-SJ1-27m110KV铁塔的弹性结构是理想的，拉杆和压杆的失稳模式不同是理想线弹性结构系统中的特点，1C-SJ1-27m110KV输电铁塔的超静定杆系结构一般是由角钢和钢板组合而成，强度破坏一般为拉杆，丧失稳定破坏则大多是压杆。

在1C-SJ1-27m110KV输电铁塔的设计过程中，1C-SJ1-27m110KV输电铁塔杆件以屈服强度为设计强度的依据，换句话说材料的屈服强度为杆件的轴向许用应力。

当1C-SJ1-27m110KV输电铁塔的压杆的许用应力小于承受轴向压应力时，杆件失稳，对1C-SJ1-27m110KV输电铁塔整体结构来说，这样一个失稳的杆件在贡献度方面，对刚度已经失效了。

失稳的杆件两端的反弹力在整个铁塔结构中，即1C-S