大跨越输电塔线体系的风振响应及振动控制研究

论文摘要

大跨越输电塔线体系作为高压电能输送的载体,是重要的生命线工程。与通常的架空线路相比,大跨越塔线体系具有塔体结构高、跨度大的特点,塔体的高柔特性决定了风荷载是其主要动力荷载,而塔线间的相互作用,使这类体系在风载作用下的振动响应十分复杂。 本文以规划中的世界第一高塔—舟山大跨越输电塔为工程背景,建立了塔线耦合体系的空间有限元模型,分别采用梁单元、杆单元、悬链线索单元对输电塔、绝缘子和输电线进行了精确的模拟。同时采用离散刚度法设计制作了塔线体系的气动弹性模型,并在紊流风场中,进行了多个风向角、多个风速下的单塔和塔线体系气弹模型风洞试验。 通过对塔线体系风振响应的时域分析和试验研究,将输电塔的响应分解为共振分量与背景分量,并分别考虑了塔线耦合作用对这两部分分量的影响。针对背景与共振响应各自的特征,进一步提出了塔线体系的简化计算方法:背景分量的计算可以应用准静态假定,采用方差分析法得出;通过建立塔线体系的等效计算模型—悬吊摆系统,使共振分量的计算获得简化。以简化方法为基础,采用频域方法对塔线体系的风振响应进行了计算。通过对计算结果的分析,得出了一些重要的结论,对塔线体系的实际工程设计具有重要的指导意义。 针对塔线体系的动力特性,采用被动耗能装置—粘弹性阻尼器对体系的风振响应进行了振动控制研究,重点讨论了阻尼器的位置优化问题。利用本文提出的改进适应性权重:代间比较权重,并将遗传算法与劣出优入算法相结合,形成了一种多目标优化的混合遗传算法。选取塔线体系脉动位移的H2和H∞范数、阻尼器的总量与阻尼器平均耗能作为优化目标函数,得到了阻尼器的优化布置方案,并通过受控体系的气弹模型风洞试验对风振控制效果进行了验证。计算和试验结果均表明,该方案可以取得较好的减振效果,从而为将来塔线体系风振控制系统的实际安装提供了理论依据。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 近地风特性
• 1.2.1 平均风
• 1.2.2 脉动风的描述
• 1.3 塔线体系风振响应研究现状
• 1.4 输电塔振动控制研究现状
• 1.4.1 结构振动控制分类
• 1.4.2 输电塔振动控制
• 1.5 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 气动弹性模型风洞试验
• 2.1 实物参数与结构动力特性计算
• 2.1.1 结构参数
• 2.1.2 输电塔动力特性计算
• 2.1.3 输电塔线体系设计风速
• 2.2 气动弹性模型的设计与制作
• 2.2.1 相似准则
• 2.2.2 输电塔气弹模型设计与动力特性标定
• 2.2.3 输电线的模拟
• 2.2.4 气弹模型制作
• 2.3 风洞流场模拟
• 2.4 单塔模型天平测力试验
• 2.4.1 测试原理和设备
• 2.4.2 测试结果与气动力系数
• 2.5 风振响应试验
• 2.5.1 测量仪器与测点布置
• 2.5.2 试验工况和试验步骤
• 2.5.3 风振响应测试结果
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 大跨越输电塔线体系风振响应的时域分析
• 3.1 输电塔有限元模型
• 3.2 输电线有限元模型
• 3.2.1 悬链曲线悬索理论
• 3.2.2 空间悬链线索单元
• 3.2.3 索段初始张力
• 3.2.4 悬索初始形状的确定
• 3.2.5 悬索动力特性的解析解
• 3.2.6 悬索动力特性的有限元求解
• 3.3 绝缘子有限元模型
• 3.4 塔线体系的有限元计算
• 3.4.1 塔线体系风振响应的基本公式
• 3.4.2 脉动风速时程的模拟
• 3.4.3 塔线体系的静力计算
• 3.4.4 塔线体系的动力响应计算
• 3.5 计算结果及分析
• 3.5.1 动力特性分析
• 3.5.2 顺风向风振响应分析
• 3.6 塔线体系的简化计算模型
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 大跨越输电塔线体系风振响应的频域分析
• 4.1 频域法基本原理
• 4.1.1 结构风致响应分类
• 4.1.2 模态分解法求解结构动力响应
• 4.1.3 背景响应与共振响应的直接求解方法
• 4.1.4 等效风荷载
• 4.2 单塔风振响应的频域分析
• 4.2.1 虚拟激励法
• 4.2.2 背景与共振响应的分别求解
• 4.2.3 计算结果对比分析
• 4.3 塔线体系风振响应的频域分析
• 4.3.1 塔线体系的背景响应与共振响应
• 4.3.2 计算结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 大跨越输电塔线体系的振动控制
• 5.1 粘弹性阻尼器的力学性能
• 5.2 粘弹性阻尼器的参数优化
• 5.2.1 受控结构的动力学方程
• 5.2.2 受控系统的状态空间描述
• 5.2.3 LQR最优控制算法在VED参数优化中的应用
• 5.3 粘弹性阻尼器的优化布置
• 5.3.1 遗传算法简介
• 5.3.2 混合遗传算法
• 5.3.3 评价函数
• 5.3.4 多目标优化与适应性权重
• 5.3.5 约束条件的处理
• 5.4 计算实例
• 5.4.1 分析模型
• 5.4.2 代间比较权重有效性的验证
• 5.4.3 混合遗传算法的应用
• 5.5 塔线体系风振控制的数值分析和风洞试验
• 5.5.1 数值分析
• 5.5.2 气弹模型风洞试验
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作的总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢