大跨越输电线路微风振动分析

论文摘要

随着我国特高压输电线路的大规模建设,输电线的直径、单位长度重量都有所增大,悬挂点高度也有所增加,使得输电线路更容易产生微风振动。而特高压输电工程作为影响力十分大的生命线工程,若遭到破坏将导致巨大的经济损失和其他次生灾害。本文对输电线的微风振动进行了初步的探讨与研究,主要包括:能量平衡法的改进、利用动力学求解基于解析模型微风振动、基于三节点索单元模型微风振动分析和考虑抗弯刚度输电线微风振动模型分析,具体如下:首先分析了传统能量平衡法计算微风振动不足之处,从风输入功率、输电线自阻尼功率、环境条件、风速和风向等方面进行了探讨。对风能输入功率的改进主要是引入风能紊流不均匀折减系数,对风能输入功率进行折减,使其可以考虑不同场地条件的影响;采用3种输电线自阻尼功率模型分析,使输电线自阻尼能同时考虑输电线材料、档距、平均运行张力、悬挂点高度的影响。利用动力学求解基于解析模型微风振动。为提高计算速度,未考虑涡激力及结构固有振型之间的耦合作用,利用D’Alembert原理建立输电线运动平衡方程,并运用分离变量法建立输电线路以振动函数为变量的非线性运动平衡方程,利用有限元软件MATHEMATIC对方程求解。分析表明,低频分量的输电线微风振动振幅较高频分量振幅大,利用动力学求解基于解析模型微风振动振幅较能量平衡法偏小。建立了空间三节点索单元模型分析输电线微风振动。应用Scanlan提出的经验非线性模型表达涡激力,对涡激力参数进行分析,利用单自由度体系输电线自阻尼功率等效为模态自阻尼系数,引入有限元方法和条带假设形成涡激振动运动方程。利用振型分解和有限差分法对运动方程进行求解。分析表明,随风速增加,三节点索单元模型计算微风振动共振区域的稳态响应比能量法求解结果略小,随风速增加,稳态响应差距逐渐增大,风速为2m/s时,索单元模型稳态振幅减少12.65%,当风速增大到5m/s时,索单元模型稳态振幅减少33.76%。建立了考虑抗弯刚度输电线微风振动模型分析抗弯刚度对微风振动的影响。为考虑抗弯刚度对输电线路微风振动的影响,根据曲梁理论通过多项式插值函数建立曲梁单元随动坐标系下的位移向量,通过虚功原理得到各单元质量、刚度矩阵,通过转换矩阵将随动坐标系下的质量、刚度矩阵转换为全局坐标系下的质量、刚度矩阵,利用单自由度体系输电线自阻尼功率等效为模态自阻尼系数,进而得到微风振动动力学方程。利用振型分解和Newmark-β法求解运动方程。分析表明,输电线微风振动稳态振幅在考虑抗弯刚度的情况下比未考虑抗弯刚度时计算振幅偏大,且在低风速下误差较小,高风速下误差可达39.49%,不可忽略。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 能量平衡法
• 1.2.2 动力学方法
• 1.2.3 涡激力模型
• 1.3 本文研究内容
• 2 基于解析模型输电线微风振动分析
• 2.1 用能量平衡法求解微风振动
• 2.1.1 风输入功率
• 2.1.2 输电线自阻尼功率
• 2.1.3 算例分析
• 2.1.4 能量平衡法改进措施
• 2.1.5 算例分析
• 2.2 用动力学求解微风振动
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 输电线运动状态描述
• 2.2.3 建立模型
• 2.2.4 非线性方程求解
• 2.2.5 算例分析
• 2.3 本章小结
• 3 基于三节点索单元模型微风振动分析
• 3.1 输电线微风振动模型
• 3.1.1 基本假定
• 3.1.2 微风振动的有限元方程
• 3.1.3 单元刚度矩阵和单元质量矩阵
• 3.1.4 输电线自阻尼
• 3.1.5 微风涡激力
• 3.2 动力平衡方程的求解
• 3.3 算例分析
• 3.4 本章小结
• 4 考虑抗弯刚度输电线微风振动模型分析
• 4.1 输电线有限元模型
• 4.1.1 位移插值函数
• 4.1.2 曲率—位移关系
• 4.2 输电线微风振动有限元方程
• 4.2.1 单元质量矩阵
• 4.2.2 单元刚度矩阵
• 4.2.3 单元阻尼矩阵
• 4.2.4 单元荷载向量
• 4.2.5 坐标转换矩阵
• 4.3 动力平衡方程的求解
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 算例1
• 4.4.2 算例2
• 4.5 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：攻读学位期间发表的论文
• B：攻读学位期间参与的科研项目