实验报告

一、实验介绍

1.实验目的

特高压输电线舞动动力学行为及灾害防治虚拟仿真实验旨在帮助学生结合实际工程问题学习有限元基本理论，熟悉导线、塔架、间隔棒、防舞器的有限元模型的建立，气动力计算等过程，并独自完成建模计算分析。

 

2.实验原理

基于有限元理论，将塔架构件和导线均采用梁单元进行离散，绝缘子串用杆单元离散，单元之间共节点连接。使用Belytschko梁单元离散覆冰导线，该梁单元使用共旋技术来处理大转动，把梁的变形分为刚体平动、转动与真实变形，刚体位移不产生应变，只有真实变形才产生应变，适合于导线的舞动过程的大位移大转动处理。覆冰及导线重力通过形成集中质量阵的形式将其平均分配到单元的各个节点上，形成一个仅对角线上元素非零的矩阵。由此组装得到总体刚度阵、总体质量阵，然后进行显式动态有限元求解。

 

3.基础认知知识

1. 覆冰导线的舞动是一种极端天气条件下的导线振动，在零度以下气温的雨夹雪或冻雨条件下，架空线等线路设备上会出现结冰，并且冰在导线各处的厚度不均匀，同一截面的形状也不对称，在导线两侧的结冰较厚，这种不均匀覆冰导线在大风作用下像飞机的机翼一样，给导线提供向上升力，使导线上下运动形成舞动。
2. 防舞器作为输电线路中防治舞动的最为有效的手段，在工程实践中运用的较为广泛，设置防舞器是抑制导线舞动发生和削弱舞动危害的主要手段和途径。
3. 输电线塔是整个输电线路系统的关键，塔架在线路运行过程中不仅受到重力的作用，还受到风载、导线对塔架的作用等。
4. 力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件，能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量，具体的器件有金属应变片、压力传感器等。
5. 位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
6. 相间间隔棒是在导线相间安装若干绝缘支撑用于单条分裂导线子导线之间的连接，从根本上改变相导线的固有频率特征。但在理论上不能排除相间间隔棒之间的相导线发生舞动。
7. 防舞器是在对舞动区的输电线路舞动防治中常用的措施之一。防舞重锤、阻尼器、弹簧与相内间隔棒连接在一起形成分裂导线的动力减振防舞器。当防舞器频率与导线舞动的频率设计相同或相近，在舞动频率下，由于其相位与导线舞动相位正好相反，故可有效抑制舞动。

 

二、实验步骤

1. 点击任务栏参数设定环节按钮，进行塔架构件设计，设计参数如下。

塔架构件材料模型设计
材料模型
塔架构件材料参数设计
密度（kg/m3）			杨氏模量E（Pa）
泊松比v			屈服应力（Pa）
剪切模量（Pa）			切线模量（Pa）
塔架构件截面参数设计
圆形截面	半径（m）
矩形截面	长（m）			宽（m）
角钢截面	H方向长度（m）			H方向厚度（m）
	B方向长度（m）			B方向厚度（m）

 

 

2. 点击导线构件设计按钮设置导线分裂数和分裂半径，随后进行间隔棒设计、覆冰设计、导线张力选择。

导线构件设计
导线分裂数（根）		分裂半径（m）
间隔棒设计
间隔棒布置间距（m）
覆冰设计
覆冰形状		覆冰厚度（mm）
导线张力选择
导线张力（N）

 

 

3. 点击测点布置按钮设计测点，设置风速和攻角。参数设定完成之后观察导线运动情况。

 

测点布置
1	塔架上导线挂点编号
2	测点所在分裂子导线编号
	测点距离左端导线挂点距离（m）
风速设置
风速（m/s）
攻角设置
攻角（°）

 

4. 点击左下角任务按钮进行防舞器质量、弹簧刚度和阻尼系数设定，观察导线运动情况。

防舞器设计
防舞器重锤质量（kg）
防舞器弹簧刚度（N/m）
防舞器阻尼系数

 

三、实验结果

 

 

 

 

 

四、考核题

1. （选择题）为防止输电线路覆冰及保证抢修速度，在线路设计路径的选择上，最好尽量避免哪几种地形？ 答案：（   ）

A. 大型湖泊河流水体

B. 分水岭

C. 垭口

D. 悬崖

E. 平原

F. 峡谷

 

2. 为什么覆冰事故多发生在华中和西南等高海拔地区，如云南、贵州、湖南、湖北、四川等省，而在北方较少？

答： 

 

 

3. 将架空导线简化为具有质量m1、弹簧刚度k1的质量——弹簧主系统，将防舞器简化为具有质量m2、弹簧刚度k2、阻尼c2的辅助系统。把辅助系统加到档内导线主系统上，组合就成了双自由度系统。如果将c2忽略，此双自由度系统如图(a)所示。有阻尼动力减振器系统简化如图b所示。请分别写出下面两种模型的振幅表达式。设F1为激振力的幅值；ω为激振力角频率；t为时间；B1为主质量幅值；B2为防舞器振幅。

答案：

 

 

 

 

4. 画出一段导线所受气动力的方向

 

 

 

 

5. （选择题）下面哪一个选项不是平面两节点梁单元的形函数。答案：（   ）

 

6. （选择题）选择平面两节点梁单元的集中质量阵，梁的截面积为A、长度为L、密度为ρ。答案：（   ）

 

7. 计算覆冰导线等效密度、等效抗拉刚度和抗弯刚度，导线参数如下：

截  面 (mm2)	铝截面	488.58
	钢截面	43.10
外  径(mm)		30
覆冰厚度（mm）		8
弹性模量(N/mm2)		65000
钢弹性模量(N/mm2)		200000
铝弹性模量(N/mm2)		70000

 

8. 写出梁单元的运动方程

 

 

 

 

9. （判断题）对于2节点三维线性梁单元，假定其轴向拉伸效应、弯曲效应、扭转效应是不相互耦合的。答案：（   ）

 

10. （判断题）两个节点的欧拉梁单元的挠度场是线性函数。答案：（   ）

 

11. （判断题）平面2节点杆单元整体坐标系下的单元刚度阵的第一行和第三行大小相等，符号相反。答案：（   ）