3基于ANSYS輸電導線梁模型的找形分析

3.1輸電導線ANSYS模擬復合材料模型的基本思想

如圖3所示，本文采用復合材料梁模型模擬輸電導線，在ANSYS中通過截面設置來實現不同鋼芯和鋁絞線兩種材料的賦予。不同于將導線看做一個均勻化的整體模型，復合材料梁單元模型分別對鋼芯和鋁絞線部分賦予對應的材料參數，滿足各自的本構關系，這樣更有助于分析導線內部的應力分布。復合材料模型需要通過截面設置來實現不同材料的賦予。同時，為了避免重力的二階效應帶來的影響，在ANSYS中選擇BEAM189三維3節點梁單元來模擬輸電導線，該單元具有應力剛化效應、模擬大變形、蠕變的功能等特點。

 

圖3 輸電導線截面材料分布圖

     

3.2輸電導線ANSYS模擬復合材料模型的基本步驟

如圖3所示，本文采用復合材料梁模型來模擬導線，鋼芯和鋁絞線部分分開來建模，在ANSYS中通過截面設置來實現不同鋼芯和鋁絞線兩種材料的賦予。本文復合材料梁模型找形基本步驟如下：

（1）建立初始有限元找形模型：

目前主要的初始導線建模方法有兩種，一種是在導線弦線位置上創建初始直線幾何模型；另一種是通過架線參數、輸電線載荷參數依照式（3）建立懸鏈線模型。本文采用后一種方法建模：即通過公式在兩懸掛點間建立懸鏈線模型，通過后續迭代計算不斷自動更新校正導線有限元模型，最終得到找形后的標準導線初始形態。

（2）加載求解:

施加自重荷載、初應變后求解,更新導線有限元模型，如果求解后的結果不能滿足收斂條件，則繼續迭代求解直到滿足收斂條件為止。此過程結束后獲得導線初始形態，其流程如圖4所示，具體過程如下：

1）按照導線型號輸入相關參數，如比載、架線張力、導線物理參數、結構參數；

2）根據輸電線路檔距和懸掛點高差在兩懸點間建立懸鏈線模型；

3）施加重力場、初始小應變；

4）進行迭代計算輸出導線位移、內力，將計算得到的位移加到有限元模型上更新有限元模型節點坐標；

5）若內力與架線張力不匹配，重復步驟（4）；

6）施加真實初應變分布場，判斷是否達到平衡位置，得到導線內部應力分布。

本文判斷找形是否成功的依據為：通過查看輸電導線弧垂最低點的軸向應力或水平張力是否滿足給定導線狀態值來確定是否滿足找形力收斂，再通過加載后的位移來判定是否滿足找形位移收斂，最終獲得重力場作用下的輸電導線自平衡系統位形。更新坐標的方式為：將這一步計算的位移值加到當前的有限元模型節點上，以更新有限元模型得到新的導線形狀，通過不斷的自動更新模型即可得到找形后的準確模型.

找形分析步驟示意圖如下：

圖4 找形分析流程圖

4基于ANSYS輸電導線梁模型的找形分析

LGJ-300/40輸電導線截面材料分布如圖3所示，其中紫色部分（數字2表示）代表鋁絞線，綠色部分（數字1表示）代表鋼芯。

經過迭代更新后得到找形后的相對位移如圖所示：

圖5  復合材料梁單元模型找形后位移矢量圖

由上圖得到的導線找形后的初始構形和相對位移矢量圖可得，找形后最大相對位移僅為0.004734m，位移方向與重力方向一致且趨近于0，編程時所要求最大誤差為0.005，在所允許的誤差許可范圍內，所以可以認為得到的該線形是初始的平衡導線位置。

輸電線找形后導線內力分布如下圖6所示，分布趨勢與理論計算時導線的應力分布相符。

圖6  找形后導線內部軸向應力分布云圖

梁單元找形后可得到架線時鋼芯部分和鋁絞線部分各自的初始應力，確定導線截面的應力分布狀態，由圖7可知架線時在懸掛端點處鋁絞線部分初始應力為22.6MPa，鋼芯部分初始應力為80.7MPa。顯而易見，導線截面上應力是非均勻分布的，鋼芯承受大部分外載，且承受載荷的比重隨外部條件變化而變化。

圖7  懸掛點處導線截面應力分布

由梁單元的模擬可以得出，整段導線的實際應力是由鋁絞線和鋼芯的應力隨材料分配得到的，內部各材料部分的應力都會隨比載和物理場條件的改變而變化。基于梁單元的輸電導線找形分析，在數值上和理論計算的誤差在工程標準要求的范圍內，可以用于實際工程計算中，為后續的導線內部熱-力場耦合分析奠定基礎。

 

5小結

 輸電導線復合材料梁單元的找形分析是蠕變分析導線的基礎，只有正確的找形分析，才能保證蠕變分析及熱-力耦合分析的正確性。本章首先對找形分析的基本概念及基本原理做一個整體的介紹，說明基于ANSYS軟件編程的一個理論基礎，并將弧垂計算與應力計算理論結果計算出來。其次，本章對輸電導線的復合材料梁模型進行建模并編程找形分析，模擬結果在工程實際誤差范圍內，符合實際工程情況，為之后的熱力分析做好準備。

 

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