一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法

技术领域

本发明属于输电线路金具校核技术领域，具体涉及一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法。

背景技术

架空输电线路上导线的覆、脱冰会对输电导线、杆塔和耐张、悬垂金具串产生较大的冲击荷载。

现有电力金具设计规范中，计算耐张联板屈曲荷载对其进行稳定性校核时一般不考虑耐张联板由于制造、运输和安装过程中出现的初始几何缺陷。而对于薄壁结构而言，其屈曲荷载对于自身的几何缺陷具有较高的敏感度。使用忽略初始缺陷的完美耐张联板结构进行稳定性校核时，计算得到的屈曲荷载偏大，不利于输电线路的安全稳定运行。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法，稳定性校核过程中考虑初始几何缺陷，有效避免在对耐张联板进行稳定性校核时存在偏差，保证输电线路的安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法，包括如下步骤：

S1：对耐张联板进行特征值屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态；

S2：引入步骤S1中所述耐张联板的屈曲模态作为耐张联板的初始几何缺陷，对耐张联板进行非线性屈曲分析，得到耐张联板的非线性屈曲荷载；

S3：选取多个典型耐张联板试样进行屈曲拉伸实验，得到耐张联板真实的屈曲荷载，与步骤S2中所述耐张联板的非线性屈曲荷载对比分析，得到耐张联板的初始缺陷程度范围；

S4：根据步骤S3所述耐张联板初始缺陷程度范围，确定耐张联板的最小屈曲荷载，对耐张联板进行稳定性校核。

优选地，步骤S1所述的对耐张联板进行特征值屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态，包括：

建立输电线路有限元模型，考虑不同的线路参数和环境参数，计算得到线路中耐张联板在导线覆、脱冰过程中所受最大荷载；

建立耐张联板有限元模型，对耐张联板进行重力和屏蔽环作用下的静力学分析；

在静力学分析基础上，将所述耐张联板在导线覆、脱冰过程中所受最大荷载施加到耐张联板有限元模型中作为初始荷载，对耐张联板进行特征值屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态。

优选地，所述对耐张联板进行特征值屈曲分析，包括：

控制方程如下：

(K

其中，K

其中，B和D分别表示应变矩阵和刚度矩阵，g表示形状函数对坐标偏导的列向量，σ表示应力矩阵；上标e表示单元，

|K

求解该方程得到的最小特征值λ

P

其中，P

优选的，步骤S2所述引入步骤S1中所述耐张联板的屈曲模态作为耐张联板的初始几何缺陷，对耐张联板进行非线性屈曲分析，得到耐张联板的非线性屈曲荷载，包括：

提取屈曲模态的变形状态下耐张联板上所有点的位移并引入到耐张联板模型中，确定初始位移，形成含有初始缺陷的耐张联板模型；

对耐张联板进行重力和屏蔽环作用下的静力学分析；

在静力学分析基础上，将所述耐张联板在导线覆、脱冰过程中所受最大荷载施加到含有初始缺陷的耐张联板模型中作为初始荷载，对耐张联板进行非线性屈曲分析，得到耐张联板上荷载施加点处的荷载-位移曲线，确定耐张联板发生屈曲时的屈曲荷载。

优选地，所述对耐张联板进行非线性屈曲分析，包括：

采用荷载大小作为附加未知量，即在有限元分析过程中同步求解荷载和位移，使得在迭代求解过程中可以越过极值点得到完整的荷载-位移曲线，补充一个控制方程，即：

其中，l称为弧长，x是位移，分析前设定初始荷载F

计算过程中指定初始弧长l

其中，n

优选的，步骤S4所述对耐张联板进行稳定性校核，包括：

将耐张联板的最小屈曲荷载与耐张联板在导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载作对比，判断是否满足输电线路的安全设计要求。

优选地，判断是否满足输电线路的安全设计要求，包括：

若耐张联板的最小屈曲荷载大于耐张联板在导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载，则该耐张联板满足输电线路的安全稳定运行要求，否则，则不满足。

初始几何缺陷是指耐张联板在制造、运输、安装等过程中，不可避免的会出现局部凹凸不平、整体微弯曲等几何缺陷，现有输电线路金具设计规范中，在对耐张联板进行稳定性校核时没有考虑初始几何缺陷的影响，而板壳结构的稳定性对其初始几何缺陷具有较高的敏感性，不考虑初始几何缺陷计算得到的耐张联板的屈曲荷载值偏大，在真实线路中对耐张联板进行稳定性校核时会出现评估为安全、实则不安全的情况，严重威胁着输电线路的安全稳定运行。因此，本发明公开了一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法，取得了如下积极有益效果：

本发明首先在静力学分析基础上，运用耐张联板有限元模型，对耐张联板进行特征值屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态，即耐张联板发生屈曲时的变形形态，将耐张联板的屈曲模态作为耐张联板的初始几何缺陷，引入到耐张联板模型中，形成含有初始缺陷的耐张联板模型，初始几何缺陷描述耐张联板由于生产、加工误差产生的微小缺陷以及运输安装过程中产生的微小变形，有效避免在对耐张联板进行稳定性校核时存在偏差造成真实输电线路中出现耐张联板屈曲坍塌事故。非线性屈曲分析采用基于改进弧长法的非线性屈曲分析，在静力学分析基础上，运用含有初始缺陷的耐张联板模型，考虑不同的初始几何缺陷程度，得到耐张联板的非线性屈曲荷载，与耐张联板屈曲实验测量得到的真实耐张联板的屈曲荷载进行对比分析，确定真实耐张联板初始缺陷程度范围，根据真实耐张联板初始缺陷程度范围，确定初始缺陷程度最大时耐张联板的屈曲荷载，即耐张联板的最小屈曲荷载，如果耐张联板的最小屈曲荷载大于输电线路中耐张联板所承受荷载的最大值，则该耐张联板满足输电线路的安全稳定运行要求。因此，本发明考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法，稳定性校核过程中考虑初始几何缺陷，有效避免在对耐张联板进行稳定性校核时存在偏差，保证输电线路的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明输电线路有限元模型图。

图2为本发明耐张联板有限元模型图。

图3为本发明特征值屈曲分析过程中耐张联板的屈曲模态图。

图4为本发明非线性屈曲分析过程中耐张联板发生屈曲时的变形状态。

图5为本发明非线性屈曲分析过程中耐张联板发生屈曲后的变形状态。

具体实施方式

下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。

一种考虑初始几何缺陷的耐张联板稳定性校核方法，包括如下步骤：

S1：对耐张联板进行特征值屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态；

S2：引入步骤S1中所述耐张联板的屈曲模态作为耐张联板的初始几何缺陷，对耐张联板进行非线性屈曲分析，得到耐张联板的非线性屈曲荷载；

S3：选取多个典型耐张联板试样进行屈曲拉伸实验，得到耐张联板真实的屈曲荷载，与步骤S2中所述耐张联板的非线性屈曲荷载对比分析，得到耐张联板的初始缺陷程度范围；

S4：根据步骤S3所述耐张联板初始缺陷程度范围，确定耐张联板的最小屈曲荷载，对耐张联板进行稳定性校核。

进一步地，步骤S1所述的对耐张联板进行线性屈曲分析，得到耐张联板的屈曲模态，包括：

参见图1，建立耐张联板所在输电线路的输电线路有限元模型，包括：导线、线夹、间隔棒和包含耐张联板的金具串，考虑不同的线路参数和环境参数，通过有限元软件ABAQUS进行有限元分析，计算得到线路中耐张联板在导线覆、脱冰过程中的最大荷载；

参见图2，建立耐张联板有限元模型，对耐张联板进行重力和屏蔽环作用下的静力学分析，其中屏蔽环的作用等效为联板两端小孔所在M和N区域施加垂直于联板方向即Y方向的均布荷载，为了模拟耐张联板在输电线路中的约束情况，A点处约束所有方向的平动自由度，B点处约束Y和Z两个方向的平动自由度，释放X方向的平动自由度，A、B两点同时约束X方向的转动自由度，释放其他两个方向的转动自由度；

在静力学分析基础上，将所述耐张联板在导线覆、脱冰过程中所受最大荷载施加到耐张联板有限元模型中作为初始荷载，即图2中C、D、E、F区域施加导线覆、脱冰过程中所受最大荷载，基于线性屈曲理论，对耐张联板进行特征值屈曲分析(线性屈曲分析)，得到耐张联板的屈曲模态如图3所示，即联板发生屈曲时整体的变形状态，进而得到耐张联板所有点的位移。

更进一步地，线性屈曲理论将耐张联板稳定性问题简化为特征值问题，对耐张联板进行特征值屈曲分析(线性屈曲分析)，包括：

控制方程如下：

(K

其中，K

其中，B和D分别表示应变矩阵和刚度矩阵，g表示形状函数对坐标偏导的列向量，σ表示应力矩阵；上标e表示单元，

|K

求解方程(3)得到的最小特征值λ

P

其中，P

进一步地，步骤S2所述引入步骤S1中所述耐张联板的屈曲模态作为耐张联板的初始几何缺陷，对耐张联板进行非先行屈曲分析，得到耐张联板的非线性屈曲荷载，包括：

所述特征值屈曲分析得到的耐张联板屈曲模态，提取该变形状态下耐张联板上所有点的位移并引入到耐张联板模型中，确定初始位移，耐张联板模型与特征值屈曲分析的耐张联板有限元模型相同，参见图2，形成含有初始几何缺陷的耐张联板模型；

对耐张联板进行重力和屏蔽环作用下的静力学分析，其中屏蔽环的作用等效为联板两端小孔所在M和N区域施加垂直于联板方向即Y方向的均布荷载；

在静力学分析基础上，将所述耐张联板在导线覆、脱冰过程中所受最大荷载施加到含有初始几何缺陷的耐张联板模型中作为初始荷载，其中导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载为耐张联板进行线性屈曲分析过程中所述的导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载，对耐张联板进行非线性屈曲分析，得到联板上荷载施加点处的荷载-位移曲线，确定耐张联板发生屈曲时的屈曲荷载，耐张联板发生屈曲瞬间和屈曲后的变形状态分别如图4和图5所示。

更进一步地，所述对耐张联板进行非线性屈曲分析，运用基于改进弧长法的非线性屈曲方法，包括：

采用荷载大小作为附加未知量，即在有限元分析过程中同步求解荷载和位移，使得在迭代求解过程中可以越过极值点得到完整的荷载-位移曲线，因此需要补充一个控制方程，即：

其中，l称为弧长，x是位移，分析前设定初始荷载F

计算过程中指定初始弧长l

其中，n

进一步地，步骤S4所述对耐张联板进行稳定性校核，包括：

将耐张联板的最小屈曲荷载与耐张联板在导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载作对比，其中导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载为耐张联板进行线性屈曲分析过程中所述的导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载，判断是否满足输电线路的安全设计要求。

更进一步地，判断是否满足输电线路的安全设计要求，包括：

若耐张联板的最小屈曲荷载大于耐张联板在导线覆、脱冰过程中所承受的最大荷载，则该耐张联板满足输电线路的安全稳定运行要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。