1.一种大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于具体步骤为:S1:获取大跨越输变电线路数据,建立大跨越输变电线路有限元模型;
S2:设定几何相似比,建立输电塔的刚性模型,并对刚性模型的气动力进行测试,确定输电塔各段的气动力参数;
S3:采用有限元模型分析输电塔放松弗劳德数相似准则对挂线输电塔位移、绝缘子内力、绝缘子风偏角和输电线位移的影响;
S4:采用有限元模型分析变比例输电线模型对输电塔位移、绝缘子内力、绝缘子风偏角和输电线位移的影响;
S5:根据步骤S3和步骤S4的分析结果,设计大跨越塔线体系气动弹性模型;
S6:通过建立有限元模型分析钢管混凝土的材料非线性因素和梯度风高度因素对输电塔风致响应的影响。
2.根据权利要求1所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于步骤S1中,所述大跨越输变电线路数据至少包括:输电塔塔形种类、输电塔形排布列表、输电塔位置、导线与地线的跨度和垂度明细、间隔棒结构、间隔棒间距、所有输电塔高度、输电塔线跨度、输电塔线垂度、设计风速、输电线路地形地貌、所有输电塔建筑材料、输电塔建筑结构、输电塔建筑尺寸、输电线模拟材料、输电线模拟结构。
3.根据权利要求1所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于步骤S2的具体内容为:S21:设定几何相似比;
S22:获取雷诺数:通过对原型节段的数值模拟和与之对应的节段模型风洞试验分别获得彼此的雷诺数,根据雷诺数与阻力系数的曲线图,通过对模型迎风直径进行修正来确定输电塔各个位置的雷诺数修正系数;
S23:采用不锈钢管制作输电塔刚性模型;
S24:设定所述刚性模型的气动力试验风速、采样时间、采样频率,来流风向垂直于输电线路,对刚性模型输电塔进行测试,得到输电塔各段的阻力系数。
4.根据权利要求1所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于在步骤S3的具体内容为:S31:基于斯特劳哈尔数相似准则、柯西数相似准则,得到输电塔杆件横截面积的相似比SA与频率相似比Sf的关系式(1)、风速相似比Sv、输电线模型第i阶模态的气动阻尼比ζai:其中,SE为弹性模量的相似比,根据输电塔建筑材料取值;Sg为几何相似比;输电塔杆件横截面积的相似比SA根据选取的实际模型材料规格确定;
风速相似比Sv:
Sv=SfSg (2)
输电线模型第i阶模态的气动阻尼比ζai:
CD为阻力系数;ρa为单位体积空气密度;D为迎风外径; 为单位长度的质量;v为风速;
fij为第i阶模态频率,其中j=1,2,3分别表示平面外模态,平面内反对称和对称模态;
第i阶平面外模态频率:
第i阶平面内反对称模态频率:
第i阶平面内对称模态频率:
H为张力水平分量;无量纲频率函数ε由超越方程确定:其中,L为线长;E为输电线弹性模量;A为输电线横截面积;S32:根据步骤S31中的公式
4-8得到,输电线的频率相似比是垂度的函数;
根据步骤S31中的公式2-8得到输电线气动阻力相似比S33:基于输电塔线体系满足几何相似、斯特劳哈尔数相似准则、柯西数相似准则、雷诺数相似准则、弗劳德数相似准则和惯性参数,结合步骤S31和步骤S32得到的数据,放松输电塔的弗劳德数相似准则,增大输电塔模型杆件的横截面积的相似比;基于同一风速相似原则,得到输电线模型的气动阻尼相似比;
S34:或改变输电线模型的重力刚度;或改变输电线模型的弹性刚度;或改变输电线模型的几何刚度,对输电线模型的频率相似比进行修正。
5.根据权利要求4所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于变比例输电线模型是将几何相似比乘以变比例系数γ得到模型的跨度相似比,输电线需满足变比例前后质量、阻力和频率一致的原则;
在步骤S4的具体内容为:
S41:基于输电塔线跨度和输电塔线垂度,通过积分得到两端等高的悬链线线长L:其中, s为输电塔线垂度;l为输电塔线跨度;
根据公式(10)得到变比例模型在两端等高时的精确线长相似比S42:基于输电线变比例前后质量一致的原则得到:变比例单位长度质量的相似为单位长度质量的相似比;
其中输电线变比例前后质量一致的原则为: 其中,下标m表示模型,上标*表示变比例;
基于输电线变比例前后阻力一致的原则得到:变比例输电线模型的迎风外径其中输电线变比例前后阻力一致的原则为: D为输电线模型的迎风外径;
S43:由于输电线频率是垂度的函数,通过保持垂度相似比一致使频率相似比一致;根据风洞试验是尺寸设定几何相似比Sg和变比例系数γ,输电塔模型的频率相似根据实际制作模型的频率与原型频率的比例确定,风速相似比根据公式(2)确定;输电线的频率相似比由几何相似比Sg确定。
6.根据权利要求5所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于在步骤S5的具体内容为:综合考虑放松输电塔弗劳德数相似准则和输电线变比例模型得到大跨越塔线体系气动弹性模型;
其中,输电线模型的刚度改变值根据输电线采用的模拟材料进行确定;
所述雷诺数的雷诺数塔身修正系数根据输电塔位置进行确定;
变比例系数γ通过具体风洞实验室尺寸确定。
7.根据权利要求2所述的大跨越输电塔线体系气动弹性模型设计方法,其特征在于在步骤S6中:气动弹性模型的设计是基于线弹性结构而言,不考虑钢管混凝土的材料非线性因素,采用增大钢材截面积来模拟钢管混凝土的抗压刚度,并保持外径和质量一致;
对于梯度风高度因素采用风洞试验结果通过乘以梯度风高度修正系数来弥补;其中定义梯度风高度修正系数为考虑梯度风高度的风致响应值与不考虑梯度风高度的风致响应值的比值。