考虑多种因素的覆冰输电线舞动的有限元分析

采用梁单元模拟覆冰输电线,利用Newmark时间积分和Newton-Raphon非线性迭代法求解有限元方程,编写了相应的有限元程序,通过有限元软件ANSYS计算并验证了方法和程序的正确性.研究了风速、和档距长度对舞动幅值及导线舞动过程中张力的影响,同时探讨了攻角对舞动的影响,得出了一些重要规律,为导线舞动的预防及减小舞动的幅值提供了依据.     

覆冰导线舞动数值仿真分析

利用ABAQUS有限元分析软件,通过欧拉梁单元的自由度释放和设置材料为不可压缩,模拟得到具有扭转自由度的覆冰导线的索单元,进一步利用用户自定义单元模拟覆冰导线所受的阻力、升力和扭矩空气动力载荷,分析了覆冰导线的舞动现象,并通过覆冰单导线与覆冰双分裂导线舞动模拟算例验证了方法的正确性。模拟研究了覆冰初始攻角、线路档距和导线初始张力等因素对覆冰导线舞动的影响规律。所得结果对覆冰导线舞动和防舞技术的研究具有一定的参考价值。     

输电塔线体系风致覆冰脱落动力响应的研究

建立了两塔三线模型,采用数值实验研究了输电线路的动力特性和中跨覆冰导线发生舞动时覆冰脱落、覆冰不脱落这两种工况的输电塔线系统的动力响应特性,探讨了不同风速下二者响应的差异.计算模型考虑了输电线的初始变形和初始应力.分析结果表明,塔端不平衡张力和邻跨导线横向振幅都随着风速的增加而增大,舞动导致的覆冰脱落使邻跨导线横向振动频率大幅增加,竖向回弹高度相对减小,而中跨的竖向回弹高度和横向振幅分别增加了73.9%和57.7%左右.舞动导致的覆冰脱落对线路的影响不容忽视,在实际线路的设计中应加以特别的考虑.     

覆冰分裂导线扭转刚度研究

因分裂导线覆冰而导致的扭转刚度变化是舞动发生的重要原因之一,为了有效防治输电线路舞动,研究覆冰分裂导线扭转刚度很有必要.提出了一种考虑覆冰偏心的覆冰分裂导线扭转刚度计算方法,分析了覆冰对扭转刚度的影响.计算结果表明:覆冰导线的扭转刚度随覆冰量的增大而增大;常见易引发舞动的冰形中,扇形覆冰的偏心影响最大;覆冰偏心对扭转刚度有影响,初始结冰角越大,扭转刚度越大;覆冰导线在顺时针与逆时针的扭转刚度受覆冰偏心的影响基本相同,但临界扭转角和临界扭矩不同;不均匀覆冰会对分裂导线的扭转刚度产生显著影响.所得结果可为舞动的防治提供参考.     

基于曲梁理论的覆冰分裂导线舞动非线性动力分析

基于空间曲梁理论的应变-位移关系，建立了具有三个平动自由度和一个转角自由度的覆冰分裂导线舞动分析混合模型. 考虑覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性，利用虚功原理建立覆冰分裂导线的非线性动力学方程. 采用振型叠加法将方程变换到振型空间中，并使用时间积分算法求解. 然后通过数值计算对单元无关性进行了检验，分析单元数量对覆冰导线前六阶频率的影响；此外研究了模态收敛性，分析模态截断对舞动响应的影响；最后分析了气动力对结构频率的影响. 研究结果表明，气动力对分裂导线的扭转频率有较大的影响，这准确地反映了输电线路的动态特性；另外，覆冰分裂导线混合模型用于输电线的舞动分析时具有可靠的精度，说明该混合模型可以预测输电线路的实际舞动响应，便于后续控制设计的实施.     

新月形覆冰单导线静气动力特性的无网格数值模拟研究

覆冰导线在风激励下的气动力系数及其随风速攻角的变化规律是导线舞动的关键因素。论文采用基于LBM方法的无网格数值模拟软件Xflow对新月型覆冰单导线的静气动力特性进行研究,特定风速和冰厚条件下的数值模拟结果与文献风洞试验数据的高度吻合,验证了该方法的可靠性和准确性。进而开展的变风速和变冰厚条件下的导线气动力特性系数随攻角变化的规律,也与风洞试验结果呈现出一致的趋势。论文的研究表明,利用Xflow对覆冰导线气动力特性进行研究,不需要对覆冰导线周围的空气流场划分网格,提高了数值模拟的效率,为覆冰导线舞动机理的研究提供了新的、有效的途径。     

覆冰单导线舞动非线性数值模拟

为研究覆冰导线的舞动响应,针对覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,采用具有3个平动自由度和1个扭转自由度的两节点索单元,建立了考虑空气动力荷载与位移和速度耦合的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、对速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解。利用MATLAB编制了相应的计算程序。通过对算例的舞动数值模拟验证了该方法与程序的正确性;且具有较高的计算精度及效率;并利用该方法研究了风速对舞动的影响。研究结果表明在初始攻角不变的情况下,随着风速增大,导线的振幅不断增大;但导线竖向振幅增幅较大,水平向振幅增加较小;当风速增大到一定程度,竖向振幅增加开始变得不明显,振幅最终趋于稳定值。     

覆冰分裂导线舞动的ANSYS有限元分析法

为分析覆冰分裂导线舞动时的应力变化情况,研究导线舞动和指导连接金具设计,根据现有比较全面的三自由度导线舞动模型,利用ANSYS有限元软件建立了山西地区典型的紧凑型输电线路覆冰导线的舞动模型。利用该有限元模型对6分裂覆冰导线的舞动情况进行了动态仿真,输出了导线舞动时变化图像,可以直观的看到舞动时导线和间隔棒内部应力分布,为研究导线舞动及设计连接金具受力提供有力支持。     

多模态耦合的覆冰导线风致舞动分析

深入研究覆冰导线在风致作用下发生的舞动具有重要意义.覆冰输电导线是一个三维连续体,存在面内-面外-扭转多阶模态耦合,因此详细分析覆冰导线发生舞动时各阶模态在耦合作用下的舞动特性是有必要的.本文提出覆冰导线面内-面外-扭转多阶模态耦合的非线性动力分析模型,通过Lyapunov理论对覆冰导线稳定性进行判断,分析了在稳定风场中不同风速下,覆冰导线各阶模态舞动情况.进一步考虑了覆冰导线所在风场的随机性,为提高脉动风场的模拟效率,采用基于Hermite插值改进Cholesky分解的脉动风场模拟方法,分析脉动风下覆冰导线各阶模态舞动特性,并与稳定风场中覆冰导线各阶模态的振动进行比较.     

覆冰输电线路分裂导线舞动的建模与数值模拟

针对以往在覆冰分裂导线舞动的理论模型中缺少对分裂导线扭转刚度进行分析的问题,提出了一种改进的舞动分析模型.将分裂导线等效为单导线,在现有的对单导线舞动建模研究的基础上,采用假设模态法,利用Hamilton变分原理建立了覆冰导线在垂直、水平和扭转方向的动力学模型.考虑到分裂导线和单导线在扭转刚度上的不同,引入了一种分裂导线扭转刚度的计算方法,推导出分裂导线固有频率的计算公式,并将它们应用到所建模型中,使模型能够分析覆冰分裂导线的舞动,用经典Runge-Kutta法对模型进行求解,从而实现了对覆冰分裂导线的数值模拟.以中山口大跨越分裂导线舞动作为实例,由所建立的模型得到的数值模拟结果与实际观测值基本一致,从而验证了模型和数值模拟方法的准确性.     

自然条件下输电线路导线覆冰增长特性

输电线路导线覆冰严重威胁着电网安全运行.导线覆冰过程复杂,影响因素众多,对其覆冰增长规律的准确掌握是建立并优化导线覆冰数值计算模型的基础.从自然覆冰试验出发,依托雪峰山自然覆冰试验基地对不同种类的导线进行了自然覆冰观测试验,研究了导线直径、导线表面处理情况、覆冰类型及导线扭转对导线覆冰增长过程的影响.通过导线表面水滴碰撞系数的计算分析了不同直径导线覆冰的差异性.研究结果表明:自然环境条件下,风速对导线雾凇覆冰冰形起决定性作用,覆冰主要在导线迎风面(横向迎风侧)累积,而背风侧和纵向覆冰较少.覆冰厚度随时间非线性增长,导线直径越小,覆冰厚度增长越快.导线扭转使得导线背风侧向迎风侧转变,覆冰厚度增长速率加快.雨凇覆冰时,除迎风侧翼型覆冰外,导线下方易冻结形成冰棱,使得冰形结构更为复杂.     

覆冰地区分裂与扩径导线表面电场特性

输电线路覆冰对电力系统安全运行具有严重威胁,目前已经发展了多种防冰除冰方法,但每种方法都有其局限性,对于一些具有微气象、微地形特征的重覆冰地区尚未有较好的解决方法。文中考虑到扩径导线的特点和分裂导线输电线路的局限性,根据波阻抗和自然功率将分裂导线等效为单导线,并考虑电流的集肤效应,得到了等效的单根扩径导线,进而分析比较覆冰地区的分裂导线及其等效的单根扩径导线的表面电场特性。研究表明：等效前后导线截面面积相同且波阻抗一致时,扩径导线与分裂导线相比,不仅显著降低了子导线根数和输电线路的覆冰荷载,而且在扩径导线的半径等于分裂导线的等效单导线半径时,扩径导线的表面最大电场强度小于分裂导线。因此,在严重覆冰地区,采用分裂导线等效半径的扩径导线具有非常好的表面电场特性,且可显著降低冰风荷载,提高抗冰强度。     

不同覆冰状态下导线风致振动响应仿真

为研究动态风载作用下不同覆冰状态下输电导线的动力响应,利用谐波叠加法模拟多点相关的脉动风速时程曲线,得到不同覆冰形式下的风荷载,建立导线有限元模型,对不同覆冰状态下输电导线各特征参数和风速的相关性,并对导线振动特性以及动张力特性进行分析。结果表明：在随机风作用下,不均匀覆冰对风速的相关性最强;相同风速下,覆冰厚度和覆冰形式对导线振动特性影响不大;均匀覆冰时,导线张力峰值在15 mm覆冰时达到最大,张力峰值为69 180.4 N;不均匀覆冰状态下,中央重覆冰对导线张力的影响强于两侧重覆冰。     

一种模拟覆冰双分裂导线舞动的数值方法

给出一种覆冰双分裂导线舞动的数值模拟方法。用Hamilton变分原理建立系统的动力学平衡方程,利用罚函数法引入子导线上间隔棒连接点的运动约束条件。采用Newmark法进行时间积分,Newton-Raphson迭代求解非线性方程,实现对双分裂导线舞动的数值模拟。数值模拟了垂直双分裂和水平双分裂覆冰导线的舞动,验证了方法的正确性。利用该方法能考虑由于迎风侧子导线尾流对背风侧子导线的影响而出现的作用在两子导线上的空气动力载荷不同的情况,为分裂导线舞动的深入研究提供了一种有效的途径。     

飞机机翼积冰的数值模拟研究

针对机翼结冰问题,提出了一种翼型结冰的数值模拟方法。介绍了适用于本方法的翼型网格划分及流场求解方法;提出了一种适用于CFD的水滴收集系数计算方法;利用Fluent软件的离散项模型(DPM)及用户自定义函数功能(UDF),计算求解了翼型表面的局部水滴收集系数;介绍了积冰过程中的质量守恒和能量守恒过程;基于积冰垂直生长假设,介绍了积冰生长模型;最后利用本文提出的方法预测了翼型的结冰情况。将用本文提出的方法计算得到的三种典型积冰类型同国外冰风洞实验结果做了对比,证明了本文方法的正确性和准确性。     

基于曲面重构的飞机三维结冰数值模拟计算

在飞机结冰数值模拟中,采用多时间步长法可以准确模拟实际结冰情况。首先给出了三维结冰数值模拟方法,通过求解N-S方程计算空气流场、采用欧拉法计算水滴轨迹、求解质量和能量守恒方程计算结冰增长。对结冰后的结果数据进行重组,建立新的拓扑关系,采用非均匀双三次B样条曲面重构算法重构冰形曲面,得到几何模型,实现飞机三维结冰的多时间步长数值模拟。比较了单时间步长和多时间步长的计算结果;并与冰风洞试验数据及LEWICE预测数据进行对比,分析了不同时间步长对结冰外形的影响,得到了表面水收集系数随着时间的变化规律。结果表明,随着时间步长的不断缩小,水收集系数在机翼上表面不断增加,影响冰形的增长。时间步长越小,计算结果越接近试验数据,验证了曲面重构算法的正确性,说明多时间步长在结冰数值模拟方法中的优越性。     

基于微气象微地形的北京地区输电线路覆冰预测技术

实现输电线路覆冰预测是保障北京地区输电线路在覆冰季正常运行的关键技术。针对北京地区输电线路覆冰预测技术研究,采用皮尔逊相关系数和灰色系统关联度分析方法,利用历史数据研究覆冰厚度与微气象微地形的相关性,得出湿度、坡向、风向和高程对覆冰厚度影响程度较高;通过多种环境特征要素组合构建基于极限随机树模型和灰色系统预测模型的覆冰预测模型,对比不同模型的预测结果的均方根误差（RMSE）,得出由湿度和风向组合构建的灰色系统覆冰预测模型效果最佳。研究结果表明,与同类预测方法相比考虑了微地形对覆冰厚度预测的影响,得到北京地区输电线路覆冰厚度相关性较高的环境因素为湿度、坡向、风向和高程;对比多种环境要素构建的覆冰预测模型,湿度和风向组合的灰色系统预测模型的均方根误差明显优于其它组合,可以有效实现北京地区输电线路覆冰预测。     

基于时空图卷积网络的输电线路覆冰预测

针对已有的输电线路覆冰预测模型鲜有考虑覆冰过程中的空间特征信息，从而导致预测精度欠佳的问题，本文从时空序列预测的角度建立输电线路覆冰方面的预测体系，采用图卷积网络(Graph Convolutional Network, GCN)构建输电线路覆冰预测模型，基于图神经网络设计对输电线路覆冰拉力的图数据进行深度特征学习与图特征向量表示，以更好地提取电网塔杆覆冰拉力值的时空分布特征，从而准确预测未来的拉力值。基于南方电网的真实实验数据，设计一套可靠的数据预处理流程，将电网覆冰拉力数据转化为可以深度学习的时空序列大数据进行训练和验证。实验结果表明，本文提出的模型较已有的主流覆冰预测模型具有更加优异和稳定的预测结果，能够为输电线路及时除冰工作提供决策参考。