輸電塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論及應(yīng)用.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，電力需求日益增長。伴隨著輸電線路工程的大量建設(shè)，輸電線路鐵塔的優(yōu)化工作也逐漸成為了工程界非常關(guān)心的課題。本文在總結(jié)前人結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論成果的基礎(chǔ)上，針對工程設(shè)計的各個方面，提出了一系列適用于輸電塔的優(yōu)化理論與算法，同時通過大量實例印證了算法的可行性與正確性，編制了輸電塔優(yōu)化設(shè)計軟件，為工程設(shè)計者提供了重要的理論和實踐技術(shù)支持。
　　 按所討論問題的不同側(cè)重點，本文分為三個部分：第一部分著重解決存在于輸電塔基本

2、計算中的一些關(guān)鍵性問題；第二部分針對輸電塔中需要優(yōu)化的各個方面進行討論，提出了一些具體的理論和算法；第三部分將算法與優(yōu)化理論相結(jié)合，闡述了輸電塔優(yōu)化設(shè)計軟件的編制思路。
　　 有關(guān)輸電塔的計算，本文首先對采用桁架計算模型的輸電塔的平面節(jié)點的消除問題進行了討論，提出了不同的解決方法：在靜力計算中，采用先處理法對整體剛度矩陣中主對角元為零的自由度方向施加完全約束，同時記錄其地址，重新計算自由度編號和組裝剛度矩陣，從而達到了消除平面節(jié)

3、點的目的；在動力計算中，采用賦予平面節(jié)點一定剛度的方法進行處理，并利用子空間迭代法中的反冪法思想，具體指出了所賦予剛度的大小，較為有效的抑制了結(jié)構(gòu)的局部振型，使之不在整體振型之前出現(xiàn)。
　　 論文對設(shè)計者比較關(guān)心的輸電塔等效靜力風荷載的計算問題進行了詳細分析?？紤]到規(guī)范的不足，重點解決了高塔風振系數(shù)的計算問題：首先提出了一種包裝盒算法對塔身風壓段進行程序收納，然后將風壓段團集成計算用質(zhì)量段，進一步計算出風荷載參數(shù)；結(jié)合動力分析得

4、到的整體彎曲振型，最終得到各段不同角度的風振系數(shù)。結(jié)果顯示各段風振系數(shù)與質(zhì)量有著相同的變化趨勢，而與擋風面積呈相反的變化趨勢。文中結(jié)合某一大跨越輸電塔實例，將本文方法與時程分析方法結(jié)果進行了對比，驗證本文的計算方法是可行的。
　　 在優(yōu)化研究部分，首先對基本的截面優(yōu)化問題進行了討論。拓展了經(jīng)典滿應(yīng)力法的適用范圍，比較了常規(guī)迭代和齒行迭代的計算結(jié)果。實際計算結(jié)果表明：滿利用率齒行法的步長對于優(yōu)化結(jié)果有著不同程度的影響。在相關(guān)問題的

5、討論方面，本文對比了計算中各階段時間的耗用，發(fā)現(xiàn)工況數(shù)目是決定計算時間的關(guān)鍵因素，進而提出了一種簡化荷載工況的處理方法；其次，將子結(jié)構(gòu)法應(yīng)用于全方位長短腿的計算問題，將不同長短腿模型的相同部分定義成子結(jié)構(gòu)，先將子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由度進行凝聚，然后把子結(jié)構(gòu)作為一個超單元與不同的塔腿進行聯(lián)合計算，節(jié)省了大部分剛度矩陣組裝和分解的時間，在一定程度上提高了計算效率。
　　 在截面優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本文對輸電塔的根開和塔身節(jié)點坐標進行了優(yōu)化。首先

6、，明確了具有代表意義的兩種型式節(jié)間的重量隨著根開增大呈臺階式下降的趨勢?？紤]到工程實用性要求，通過數(shù)學方法證明了根開上限的存在，進一步提出了根開最優(yōu)化準則，同時介紹了根開優(yōu)化的計算流程。算例表明，計算結(jié)果與理論分析一致，塔重隨根開的增大呈階梯狀下降，最優(yōu)根開位于某一階梯的根部。其次，本文提出采用序列二級算法對塔身節(jié)點坐標位置進行調(diào)整?？紤]到截面優(yōu)化與形狀優(yōu)化相互耦合的影響同時也為了兼顧計算的效率，通過減小坐標調(diào)整的尺度和進行快速截面剛度

7、修正兩種方法對每次節(jié)點調(diào)整后的桿件進行了近似選材。算例表明該算法能以較高的效率顯著降低塔重。
　　 本文在輸電塔的拓撲優(yōu)化方面做了以下的研究工作：針對塔身主材統(tǒng)材信息的優(yōu)化，引入了動態(tài)規(guī)劃的思想，采用遞歸的方法，確定每個統(tǒng)材段截止位置的限定區(qū)間，從而得到所有可行的統(tǒng)材組合方式，進一步得到最優(yōu)的統(tǒng)材方案。針對塔身斜材的拓撲優(yōu)化，提出了一種序列分級優(yōu)化方法：首先，采用Fibonacci搜索得到最優(yōu)的基結(jié)構(gòu)拓撲段數(shù)；接下來在給定拓撲段

8、數(shù)的前提下，采用遞歸方法得到所有可行的桿系拓撲形式，當組合數(shù)過多時，采用蟻群算法進行尋優(yōu)，得到最優(yōu)的桿系拓撲；最后，利用形狀序列二級算法對節(jié)點坐標進行調(diào)整。針對塔腿輔助材的拓撲優(yōu)化，同時考慮拓撲變量與截面變量，提出了一種基于差商思想的綜合優(yōu)化算法。首先將所有可能存在的桿件拓撲形式組成基結(jié)構(gòu)，然后通過計算桿件差商的方法確定每次優(yōu)化前進的方向，最終得到優(yōu)化解。各種算法的可行性均在算例中得到了驗證。
　　 在軟件工程應(yīng)用方面，本文編制