基于有限元法和等幾何配點法的覆冰導(dǎo)線舞動研究.pdf

1、覆冰導(dǎo)線舞動是橫向風(fēng)作用于非對稱覆冰導(dǎo)線截面產(chǎn)生的一種大幅低頻自激振動，通常涉及幾何相關(guān)的氣動載荷非線性和導(dǎo)線大幅運動產(chǎn)生的幾何非線性，是一種多自由度耦合的柔性結(jié)構(gòu)振動問題。覆冰導(dǎo)線舞動的復(fù)雜性和危害性使得其一直是國際上公認(rèn)的科技難題，為了防治覆冰導(dǎo)線舞動對輸電線路造成的危害，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對輸電線路舞動問題的深入研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。因此本文以覆冰導(dǎo)線為研究對象，建立導(dǎo)線大幅運動的柔索模型，采用有限元法和等幾

2、何配點法對覆冰導(dǎo)線舞動問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體包括以下幾個方面：
　?。?）將Pai和Nayfeh的傳統(tǒng)非線性索理論推廣，采用Hamilton原理建立了考慮扭轉(zhuǎn)運動和偏心覆冰作用的導(dǎo)線四自由度動力學(xué)模型，揭示了3階非線性運動方程能較精確的描述輸電線路的大幅舞動問題。
　　（2）針對傳統(tǒng)懸鏈線理論用于求解承受集中載荷作用下覆冰導(dǎo)線靜態(tài)構(gòu)形時的局限性，采用對導(dǎo)線精確靜力學(xué)控制方程逐次積分的方法，提出了一種適用性更廣、精確度更高的

3、三檔連續(xù)覆冰導(dǎo)線靜態(tài)求解方法。
　　（3）針對分裂導(dǎo)線，以相鄰兩間隔棒之間的導(dǎo)線段作為子結(jié)構(gòu)，提出了一種可以考慮各子導(dǎo)線相對運動、氣動載荷差異和次檔距振動問題的分裂導(dǎo)線動態(tài)子結(jié)構(gòu)法；通過模態(tài)分析以及受均布時變載荷作用下的非線性動力學(xué)響應(yīng)分析，結(jié)合ANSYS有限元軟件驗證了該方法在研究分裂導(dǎo)線動力學(xué)問題時的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步考慮覆冰導(dǎo)線氣動力可對舞動問題進(jìn)行研究。
　　（4）基于有限元法，對覆冰單導(dǎo)線和三檔連續(xù)分裂導(dǎo)線進(jìn)行舞動數(shù)值

4、模擬；單導(dǎo)線舞動計算結(jié)果與實測值在振幅、頻率和舞動軌跡方面均吻合非常好，與現(xiàn)有舞動數(shù)值模擬方法對比在扭轉(zhuǎn)角的計算精度上有大幅的提升；采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)法研究了分裂導(dǎo)線的不同步舞動現(xiàn)象，重點考察了分裂導(dǎo)線振動特性以及各典型檔距位置處的舞動振幅、動態(tài)張力、舞動軌跡等特征，并分析了風(fēng)速和防舞錘對覆冰導(dǎo)線舞動的影響。
　?。?）針對基于有限元法舞動時程分析計算量較大的問題，首次將等幾何配點法推廣應(yīng)用于覆冰導(dǎo)線非線性動力學(xué)問題中，研究了等幾何配

5、點法的典型收斂特性和高效性；考察了不同的基函數(shù)階數(shù)p和控制點個數(shù)n對舞動計算結(jié)果的影響，以最小的計算量得到足夠精確的穩(wěn)定舞動解；進(jìn)一步分析了其在求解大跨度覆冰導(dǎo)線舞動問題時的優(yōu)越性。
　　本文建立了覆冰導(dǎo)線的四自由度動力學(xué)模型，深入研究了與之相關(guān)的非線性靜動力學(xué)問題，提出的覆冰導(dǎo)線舞動分析方法能準(zhǔn)確有效的研究單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線的舞動問題，是對現(xiàn)有舞動分析方法的重要補(bǔ)充和完善，能為實際輸電線路的舞動預(yù)測和防舞控制研究提供有效的理論依據(jù)