基于有限元法和等几何配点法的覆冰导线舞动研究

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覆冰导线舞动是横向风作用于非对称覆冰导线截面产生的一种大幅低频自激振动,通常涉及几何相关的气动载荷非线性和导线大幅运动产生的几何非线性,是一种多自由度耦合的柔性结构振动问题。覆冰导线舞动的复杂性和危害性使得其一直是国际上公认的科技难题,为了防治覆冰导线舞动对输电线路造成的危害,保障电网的安全稳定运行,对输电线路舞动问题的深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值。因此本文以覆冰导线为研究对象,建立导线大幅运动的柔索模型,采用有限元法和等几何配点法对覆冰导线舞动问题进行了系统研究。具体包括以下几个方面:  (1)将Pai和Nayfeh的传统非线性索理论推广,采用Hamilton原理建立了考虑扭转运动和偏心覆冰作用的导线四自由度动力学模型,揭示了3阶非线性运动方程能较精确的描述输电线路的大幅舞动问题。  (2)针对传统悬链线理论用于求解承受集中载荷作用下覆冰导线静态构形时的局限性,采用对导线精确静力学控制方程逐次积分的方法,提出了一种适用性更广、精确度更高的三档连续覆冰导线静态求解方法。  (3)针对分裂导线,以相邻两间隔棒之间的导线段作为子结构,提出了一种可以考虑各子导线相对运动、气动载荷差异和次档距振动问题的分裂导线动态子结构法;通过模态分析以及受均布时变载荷作用下的非线性动力学响应分析,结合ANSYS有限元软件验证了该方法在研究分裂导线动力学问题时的准确性,进一步考虑覆冰导线气动力可对舞动问题进行研究。  (4)基于有限元法,对覆冰单导线和三档连续分裂导线进行舞动数值模拟;单导线舞动计算结果与实测值在振幅、频率和舞动轨迹方面均吻合非常好,与现有舞动数值模拟方法对比在扭转角的计算精度上有大幅的提升;采用动态子结构法研究了分裂导线的不同步舞动现象,重点考察了分裂导线振动特性以及各典型档距位置处的舞动振幅、动态张力、舞动轨迹等特征,并分析了风速和防舞锤对覆冰导线舞动的影响。  (5)针对基于有限元法舞动时程分析计算量较大的问题,首次将等几何配点法推广应用于覆冰导线非线性动力学问题中,研究了等几何配点法的典型收敛特性和高效性;考察了不同的基函数阶数p和控制点个数n对舞动计算结果的影响,以最小的计算量得到足够精确的稳定舞动解;进一步分析了其在求解大跨度覆冰导线舞动问题时的优越性。  本文建立了覆冰导线的四自由度动力学模型,深入研究了与之相关的非线性静动力学问题,提出的覆冰导线舞动分析方法能准确有效的研究单导线和分裂导线的舞动问题,是对现有舞动分析方法的重要补充和完善,能为实际输电线路的舞动预测和防舞控制研究提供有效的理论依据。
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