输电线路拉弯扭刚度参数及舞动影响分析

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覆冰输电导线在一定条件下,受到风荷载作用会出现舞动现象,引起股线磨损、导线断裂、甚至造成输电塔倒塌,对社会生产生活造成巨大影响。在研究输电线舞动中,常采用索单元模型或梁单元模型进行数值模拟分析,但索单元不考虑抗弯刚度,与实际输电线存在抗弯刚度不符。同时作为输电导线的主要材料—钢芯铝绞线,其力学性能线理论众多,效果不一。而作为螺旋结构的钢芯铝绞线特有的拉扭耦合效应研究较少。因此建立准确的仿真模型和研究方法是非常必要的。本文通过仿真模拟对比分析了多种导线刚度理论,对导线抗弯刚度的变化规律及原因进行了探究,提出了与轴力、曲率相关的计算公式。在覆冰导线舞动方面,本文采用综合考虑抗拉刚度、抗弯刚度、抗扭刚度的6自由度梁单元模型,引入拉扭耦合效应和可变抗弯刚度,对单导线进行舞动分析。具体工作如下:(1)以基于每根独立股线建立的Lanteigne离散模型为例,给出了导线在拉伸、扭转和弯曲作用下的刚度矩阵理论,能够较为准确地预测小变形状态下的导线力学行为,可用于计算本身的抗弯刚度,并且抗弯刚度随着捻角的增大而减小,随着长度的增大而减小,趋近于理论值。针对拉扭耦合现象,以Utting提出的边界条件对试件进行拉扭模拟,发现钢芯铝绞线具有极强的拉扭耦合效应,导线拉伸对扭转有着很强的加强作用,而导线的扭转对拉伸的影响较小。研究表明,H-L法、M-Z法、M-D法及K-C法对拉扭相关刚度系数均具有较好的精度。但H-L法对扭转刚度Mφ的预测与ANSYS仿真的结果相差较大,低于ANYSYS和其他理论。(2)基于McConnell设计的钢芯铝绞线受弯实验模型,建立有限元模型,进行模拟分析,探究了导线等效抗弯刚度的变化规律及原因。分析表明,轴向荷载一定时,导线的等效抗弯刚度随着垂向荷载的增大而降低;垂向荷载相同时,导线的等效抗弯刚度随着轴向荷载的增大而增大。进一步分析发现,多层导线等效抗弯刚度降低的直接原因是股线的滑移,根本原因是股线内力的失衡。导线曲率的增大导致了外围股线内部轴力差的增大,但由径向力引起的摩擦力增大速度不及前者,从而破坏了股线段的平衡状态,使之产生滑移。而股线一旦产生滑移,导线的整体性就遭到了削弱,滑移的股线将不再提供抗弯刚度,从而导致了等效抗弯刚度的降低。摩擦系数对于多层导线有着较大的影响,摩擦系数越大,多层钢芯铝绞线股线之间的摩擦力越大,越不容易产生滑移,等效抗弯刚度变化趋势越平稳。在此基础上,根据模拟数据,将等效抗弯刚度曲线进行拟合,给出了等效抗弯刚度关于轴拉力Fx以及曲率ψ的计算公式。(3)使用可以考虑拉弯扭的六自由度梁单元模型,通过MATLAB模拟单导线舞动情况,引入拉扭耦合效应以及抗弯刚度衰减现象,探究导线舞动幅值以及起舞风速的影响因素。分析表明,考虑拉扭耦合会增大舞动幅值及起舞风速,而抗弯刚度对舞动竖向幅值有着增大作用,但对起舞风速没有影响。同时还比较了档距以及初张力的影响。分析表明,当档距增大时,舞动各项幅值而增大,而临界风速却减小;初张力会增大舞动水平和扭转振幅,但会减小竖向振幅,同时会增大临界风速。
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