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1、 本科毕业设计（论文） 基于Comsol Multiphysics的输电 杆塔模态分析 摘 要随着社会的发展，输电线路作为电网的大动脉，其安全稳定的运行关乎着国民经济的稳定。作为支撑输电线的骨骼，输电铁塔的安全可靠运行是电网安全稳定运行的重要保证。但近年来，在各种极端情况下，倒塔断线事故时有发生，严重危害了电网安全。因此，研究输电塔架在各种复杂极端情况下的静动力特性对提高输电线路的安全可靠性有着重要的研究以及工程价值。本文以有限软软件 COMSOL Multiphysics为研究平台，根据已有的设计资料，研究了输电塔架的有限元模型的建立方法，建立了酒杯型直线塔的有限元分析模型，并提出了塔架在风
2、载荷、覆冰载荷、基础沉降等工况下的研究处理办法。根据设计规程，通过分析计算得出了输电塔架在大风作用下的风载荷，并分段施加在输电塔架以实现风载荷的准确施加。风载荷下，最大的位移出现在塔身。然后研究了输电塔架在覆冰、基础沉降等工况下的静力学特性。最后重点研究了输电塔架的动力特性，对有限元模型进行了模态分析，得到了输电塔架的前 10 阶振型以及相对应的自振频率，通过研究发现在塔腿和塔身部分容易过早的出现局部模态。关键词：输电杆塔；输电塔线体系；静力特性；动力特性 Abstract With the development of society, the security an stability o
3、f electric transmission line system is important to national economy. As the artery of electric network, electric transmission line is a vital implement. Recently, the happening of the collapsing accidents of tower-line system threatened the security of electric network. Therefore, the study of stat
4、ic and dynamic characteristics of the transmission tower has important value both in theory and engineering to improve the safety and reliability of power system.The finite software COMSOL Multiphysics is used as the analyzing platform in this paper. Based on design information，transmission tower as
5、 the glass-shaped tangent tower for analyses is established. In the meantime, the paper advanced the processing methods of different loading cases, such as in wind , ice, foundation settlement.According to the design standards, the subsection wind load of solo tower under maximum wind design are cal
6、culated and loaded. The maximum displacement appears in the windward side of tower body.Then the paper studied the mechanical property of transmission tower under extreme cases such as ice, foundation settlement and other working conditions. Moreover, the mode analyses are carried out considering ta
7、ngent tower, obtaining its former ten self vibration frequency and vibration mode correspondingly. According to the frequency and vibration mode, finding that part of tower leg and body are tend to appear partial mode.Key words: Transmission tower; Transmission line system;Static characteristic; Dyn
8、amic characteristic; 目录第一章 绪论11.1 选题的意义和目的11.2 输电杆塔在国内外的发展与研究21.3 论文研究主要内容3第二章 输电杆塔体系的建模及分析52.1 输电杆塔概况52.2 有限元分析软件Comsol Multiphysics72.1.1有限元理论概述72.1.2 Comsol Multiphysics软件的主要功能和分析过程实现72.1.3 有限元建模要求82.2 输电杆塔体系模型的建立92.2.1 仿真模块的选取92.2.2 输电杆塔模型的建立92.3 本章小结10第三章 输电杆塔体系的静力学特性分析123.1 风载荷作用下的静力学分析123.1.1
9、 风载荷123.1.2 输电塔风载荷的计算123.1.3 输电单塔在风载荷作用下的静力学分析143.1.4 输电线在风载荷作用下的静力学分析153.2 覆冰载荷作用下的静力学分析153.2.1 覆冰载荷163.2.2 输电线覆冰载荷的计算163.2.3 输电单塔覆冰载荷计算173.2.4 输电塔线在覆冰载荷作用下的静力学分析183.3 基础沉降作用下的静力学分析193.3.1 基础沉降193.3.2 输电单塔基础沉降作用下的静力学分析193.3.3 输电塔线在基础沉降作用下的静力学分析203.4 本章小结21第四章 基于COMSOL Multiphysics输电杆塔模态分析234.1 输电杆塔
10、模态分析理论234.1.1 输电单塔的自振模态分析244.2 模态分析在COMSOL Multiphysics中的实现254.3 输电塔线体系的模态分析284.3.1输电塔塔模态分析284.3.2输电塔线耦合模态分析304.4 本章小结31结论和展望32总结32展望32参考文献33致谢3531第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题的意义和目的随着国家对电力需求的不断提高，电网建设的投入也越来越大。架空输电是传输电力和配送电力的主要方式，具有能源损耗较小、输送功率可调控、输送容量大、输送效益高、环境污染少等优点1。电力工业的快速发展是传输电力能源的有力保证，直接影响了国民经济，成为国民经济持续发展
11、的重要前提2。因此，电力系统运行的安全性和可靠性也受到越来越多的重视。随着电力的快速发展，以大城市为中心的电力系统建设成为社会发展的必然条件，作为电力传输的支柱，输电杆塔约占输电线 路总投资的30% 以上，在当今社会的关注下，输电杆塔的安全可靠性的运行是整个电力系统稳定运行的重要保证3。输电杆塔倒塌事故的发生，其中有运行、自然灾害和外力破坏因素，又有制造、设计和基建质量因素4。图 1.1 高压电输电铁塔线路 在各类自然灾害中，输电杆塔上的荷载可能有风荷载、温度效应、地震荷载、覆冰荷载、以及基础沉降等极端条件下5。根据结构的设计场地、环境、功能的不一样，可以采用不同的组合方式。所以在技术的发展和
12、需求的不断提高，杆塔的结构向着更柔、更高和更轻的趋势发展，同时也促使了结构对各种载荷的敏感度增强。在极端条件下风灾、覆冰发生频率高，影响范围广，发生灾害大，是输电杆塔在自然灾害引起事故发生最大的一种，曾给整个输电线路的运行造成影响，造成巨大的生命和财产损失6。在2008年，由于极端恶劣的天气，导致输电塔线覆冰，引起了输电线路倒塔断线事故，造成了很大的经济损失7。总体来说目前在全国范围内的输电杆塔体系的遭到损坏的情况还是相当严重的。原因主要在设计过程中对输电杆塔体系在风载荷、覆冰载荷、塔架自振和塔线耦合等一系列极端条件下的响应特性的了解还很不全面8-9。所以，对输电杆塔体系进行必要的透彻研究和分
13、析，随着计算机以及软件技术的高速发展，运用于计算机软件技术的模拟仿真法成为杆塔设计过程中最高效的手段。1.2 输电杆塔在国内外的发展与研究在传输系统中，发射塔和铅土壤的设计过程中，它通常是分开设计。电气工程师传输线设计系统，便将导线和接地载荷为结构工程师，结构工程师则负载则作为外部力提供被施加到发射塔，分析和计算10。这导致了功率传输系统的分析线被分成两个单独的行，并分析处理塔的设计过程中，常常被忽略焊接电缆和塔架之间的动力传递，而只考虑在导向场效应静载荷11。然而，负载的风或地震负载，造成电线和底线的作用下，系统的振动传输线将是一个张力更大的动态广播发射塔和塔载荷作用在输电塔上，从而导致振动
14、的外观塔和塔振动，势必会引起电缆中不可避免的事情发生位移，以及内部导体和地改变了动态张力和振动的最终形成在一起。出于这个原因，有必要分析复杂的力在传输线的不同的负载条件下，相应的优化措施，以提高检查和，以确保它们的安全性和可靠性。因为在现实的情况是更复杂的传输线，导致真型实验是非常困难的，所以大部分的研究或使用有限元软件以完成传输线。在国外，世界上第一条架空输电线路于1952年在瑞典建成，它的电压等级为380kV。目前，架空输电已成为世界各国输电网络的主要模式。随着科学技术的发展和工程水平的提高，输电线路的电压等级在不断提高,世界上输电线路的电压等级已高达1500kV12。A.Y. Sheha
15、ta等利用有限元方法对输电塔线体系进行了研究分析，获取了输电塔线体系在大风下的大量动态数据13。Knight.G.M.S 和 Santhakunar.A.R等人对输电塔塔腿进行了研究，究发现通过增加次级斜撑可以减少构件产生的应力，得出可以用截面积相对小的角钢，降低塔架的重量的结论14。H.Yasui把输电塔杆件简化为梁单元进行了研究，进行了风振响应分析，并且提出了一种较简便的的方法来确定输电塔和导线气动阻尼15。图1.2 高压电输电塔模型在国内，高红旭使用有限方法和ansysy有限元软件对110KV的高压输电塔架的静动力学特性进行了研究，建立了有限元输电塔模型并进行了输电塔的模态分析，研究发现在输电塔架上增加横隔面可以提高输电塔架的强度16。李宏男通过对导地线特性的研究，推导出了导地线的单元刚度方程。宋梦娇在ansys中建立了等比例的实体输电塔杆模型，并编程研究计算了输电
