延 边 大 学
2015年6月11日
本 科 毕 业 论 文
本科毕业设计
题 目：基于A N S Y S 的铁塔动态特性及
稳定性有限元分析
学生姓名：卢思屹
学 院：工学院
专 业：机械设计制造及其自动化
班 级：2011级
指导教师：崔承勋
目录
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摘要 (1)
引言 (2)
第一章绪论 (3)
1.1国内外关于铁塔的研究现状 (3)
1.2本文工作 (4)
第二章 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的有限元建模 (5)
2.1 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔概述 (5)
2.2 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立 (5)
2.3 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立 (6)
2.4 1C-SJ1-27m110KV铁塔的计算载荷 (9)
2.4.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔的外载荷简介 (9)
2.4.2 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔载荷计算 (9)
2.5 小结 (10)
3.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔的静力分析 (10)
3.2 1C-SJ1-27m110KV铁塔的模态分析 (13)
3.3 小结 (18)
第四章 1C-SJ1-27m110KV输电铁塔的整体稳定性分析 (19)
4.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔的在大风工况下（14N）的风振响应 (19)
4.1.1 铁塔在大风工况下的分析 (21)
4.2 1C-SJ1-27m110KV铁塔雪载工况 (23)
4.3 1C-SJ1-27m110KV铁塔的整体稳定性分析方法 (25)
4.4 拉线铁塔的简单介绍及想法 (26)
4.5 小结 (26)
第五章有限元分析法及软件的简要介绍 (27)
5.1 有限元分析法介绍 (27)
5.2 ANSYS软件介绍 (27)
结论 (28)
参考文献 (29)
致谢 (32)
摘要
对于现阶段输电铁塔测试开销昂贵、试验前有必要进行对输电铁塔的模拟仿真。输电铁塔作为电力输送的支柱，近年来，随着国民经济的快速增长，电力业发展迅疾，对输电铁塔行业飞速发展起到了推波助澜的作用。因此整个电力系统的安全与经济运行主要在于铁塔的安全可靠性。
在本篇论文中，有限元分析软件ANSYS与铁塔实验分析及检验各种工作条件下的响应分析研究，并比较铁塔数据，确保模型的真实性和正确性，在风荷载及雪载荷作用下的动力响应计算的塔，研究表明，有限元模型可以模拟试验塔的实际受力情况，为后续实验提供依据。
关键词：ANSYS；输电铁塔；有限元；建模；动态特性；稳定性
Abstract
According to the real tower test costly, test must be carried out before the simulation problem.Transmission tower as power transmission backbone, in recent years, with the rapid growth of the national economy, the rapid development of electric power industry, to promote the rapid development of transmission line tower industry. Safe and economic operation of the safety and reliability of the tower is directly related to power system.
In this paper, the finite element analysis software ANSYS simulation study from the static stability of transmission tower based on experimental data and compared with the tower, to ensure the accuracy of the model, ,the calculation of power tower in the wind load, snow load and seismic action under the impact load caused by the response; the
results show that the finite element model can simulate the tower test when the real stress condition, provide the basis for subsequent tower test simulation, the tower type etc..
Key words：ANSYS；power transmission tower；finite element method；Modeling；dynamic behavior；whole stability
引言
中国的经济建设从改革开放以后呈现百花齐放的蓬勃发展的状态，而作为中国的一项基本工业——电力，其他产业的发展的快慢直接受制于电力产业的发展。近年来，电力需求大幅增长的大城市，而热，水力和核能发电设备，大多数都远离城市，现如今社会正朝着发展高电压，大容量输电线路的建设方向稳步前进着。
电力系统的组成部分有很多，其中最重要组成部分就是大容量、高电压的架空输电线路，这也是必不可少的组成部分。也是电力传输，主要的链接交换，分配和功率调节系统。输电塔作为输电线路的支柱，总投资额的40%核算都由输电线路的输电铁塔承担，占有相当大的比重，电力系统的安全与经济运行与输电铁塔的安全可靠性息息相关，在现代社会越来越受到人们的关注。
第一章绪论
1.1国内外关于铁塔的研究现状
国内铁塔设计方法有很多，手工计算是最为传统的一种。结构矩阵分析方法通常是进行力学性能分析时的常用办法，确定其横截面积的大小时是基于强度条件和铁塔杆件的稳定性条件，在铁塔设计的选材工作的完成的方面。铁塔设计经验丰富者是完成这诸多方面的主力军。
输电铁塔主要在电网建设方面起决定性作用。中国长期以来一直存在电力供应的严重不平衡的情况，电网投资的短板已成为制约电力工业健康发展的瓶颈。今后中国将继续在电网建设的大规模投资，行业景气的1C-SJ1-27m110KV输电塔将保持较高水平。有限元法发作为一种最有效的方法，在工程领域的计算数学和计算科学的现代计算中的原因是伴随着计算机技术及软件的飞速发展，根据铁塔的结构和有限元方法的的优势体现在其复杂性，有限元分析法是目前国内外学者最热衷的关于铁塔问题分析研究的方法。
截止到2015年，在中国境内，对于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的研究，就基于有限元模型分析1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔时，在工程处理方面，空间桁架模型或空间钢框架模型是主要的采用方案，在塔结构静强度优化设计的一个更高的水平，和设计的理论依据是完美的，相应的。目前，如何将逐渐成为一个热门的方法应用于国内外的桁架结构和极限理论的现代非线性分析的输电塔结构分析和输电塔结构设计分析，国内一些学者在塔的整体稳定性分析的非线性分析开始做研究，并提出了一些方法。
1.2本文工作
本文运用有限元仿真模型，以及利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行有限元分析，以1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔为计算实例，对它进行了十阶模态分析以及在大风工况（14N）下和大雪工况（10N）下的分析。下面几个方面是本文的工作的主要内容:
(1)针对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔空间结构特点，采用有限元计算模型
1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔用在基于ANSYS对铁塔进行有限元分析时，利用ANSYS 有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行了建模;
(2)利用ANSYS有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔进行静力分析，研究铁塔在大风工况（14N）、大雪工况（10N）下构件的内力、变形;
(3)在对1C-SJ1-27m110KV输电铁塔杆塔进行模态分析时采用ANSYS软件对其进行分析，对振动固有频率以及各阶振动振型进行了大量研究。除此之外同时对
1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的重力以及线重对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的影响方面关于动态特性的进行了研究;
(4)利用大型通用有限元分析软件ANSYS有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV输电铁塔杆塔进行风载荷、雪载荷分析
（5）对拉线型输电铁塔提出想法和简要分析
第二章1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔的
有限元建模
2.1 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔概述
高压输电的重要组成部分是输电线塔。作为支撑线，地线及其他配件及对安全距离的掌控是输电线塔最主要的功能，在安全距离的掌控方面，导线到地面，交叉或其他建筑物要尤为关注。针对1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔导线的电压水平，气候条件，地形输电塔结构的变化，以及各种因素改变操作条件建设，各种形式的。
在国内方面，建塔方案有诸多种，而自立式铁塔的建塔可行性方案也有很多。在这多如浩瀚烟海般的方案之中螺栓、角钢和钢板的这种建模方案是被采用最多的方式，在构件制作方面，完全由由钢板、角钢制作来完成，1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔螺栓联接组合而成占有很大比例来负责构件的链接部位。
2.2 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立
铁塔建立是在大型通用软件ANSYS中建立，利用软件功能建立坐标系及关键点，其模型CAD图如下，具体数据参考图中1C-SJ1-27m铁塔数据：
图3.2
2.3 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔有限元模型的建立
本文在针对铁塔研究时以1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔高为27m的铁塔进行分
析，它的结构简图如下图所示：
图2.3
图2.31
图2.32
图2.33
1C-SJ1-27m110KV铁塔由各种型钢及角钢组装组成，梁单元是1C-SJ1-27m110KV 铁塔重要材料和横隔材料，除此之外杆单元在材料成分方面视为斜材料，如图所示，1C-SJ1-27m110KV铁塔联接处中央的轴线彼此相交而形成为1C-SJ1-27m110KV铁塔模型的节点，包括梁单元与杆单元在内的模型单元是由两节点之间存在的角钢简化而来的。
2.4 1C-SJ1-27m110KV铁塔的计算载荷
2.4.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔的外载荷简介
高压输电塔之所以通常可以分为三个部分，是因为力的方向是不同的：首先横向荷载是第一部分：作用在塔架结构沿水平方向载荷；第二部分是纵向载荷：对铁塔横担方向作用在塔架结构的垂直荷载；第三部分：沿竖向荷载作用在1C-SJ1-27m110KV塔架结构的竖向荷载。
除此之外，承载和传输塔之所以可以分为三个部分，主要是根据其载荷的作用方式：首先永久荷载是第一部分：在自重力塔，铁塔导线，铁塔绝缘子都包括的情况下，金具等固定设备重力也涵盖其中；第二部分是可变荷载风荷载，这包括：导线和铁塔绝缘子在大雪工况下的覆冰荷载，施工的维护和临时载荷以及导线的张力也大都涵盖其中；特殊荷载作为第三部分：负荷因地震引起的负荷断线以及地震荷载都包括在内，在特殊复杂的地形区域或者山坡上，由于不均匀的负荷不平衡造成的冰的张力。
在这过程中1C-SJ1-27m110KV输电线路杆基于ANSYS的有限元计算，其中在载荷这一方面可变的荷载分为横向荷载根据所需计算，、永久荷载也分为横向荷载根据所需计算和特殊荷载还是分为横向荷载根据所需计算。除此之外呢垂直的载荷作用在1C-SJ1-27m110KV塔上的节点是来源于上述的分解作用，另外纵向的载荷以及竖向的载荷作用在1C-SJ1-27m110KV塔上的节点也是来源于上述的分解作用
2.4.2 1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔载荷计算
在针对铁塔分析过程中，1C-SJ1-27m110KV铁塔的计算载荷主要分为1C-SJ1-27m110KV铁塔自身的载荷以及1C-SJ1-27m110KV铁塔的外部载荷;1C-SJ1-27m110KV铁塔的自身重力是自身载荷的主要来源，而而1C-SJ1-27m110KV 输电线路杆塔的静态外部载荷和动态载荷又是铁塔外部载荷的两个分支。
本文承受导线、地线、金具等的重量以及;大风工况下的风载，大雪工况下的低
温载荷、导线的安装过程、地线的安装过程时的1C-SJ1-27m110KV铁塔内部来源方面是载荷的来源;1C-SJ1-27m110KV铁塔的静态外载荷大都来自于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔导线、1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔地线断相时的载荷。在《架空输电线路杆塔结构设计技术规定(2002年)》的详细介绍中可以看出，正常大风工况、覆雪工况、1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔拉力差形成的部位是地线，在此时的工况、以及安装工况分为两种：导线安装与吊地线安装皆属于1C-SJ1-27m110KV输电线路杆塔危险工况之一（在静态分析计算时）。
2.5 小结
本章针对1C-SJ1-27m110KV铁塔分析时，着重点立足于结构特点，桁梁混合有限元分析模型被确认使用在基于ANSYS的有限元分析计算中进行分析，ANSYS作为被使用最多的大型通用有限元分析软件对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行建模，也对1C-SJ1-27m110KV铁塔在各种工况下的外部载荷进行了讨论分析判断。
第三章1C-SJ1-27m110KV铁塔有限元分析3.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔的静力分析
静力分析作为输电线路自立式铁塔力学分析的基础，以1C-SJ1-27m110KV铁塔杆件的内力（静态条件下）以及地基作用力（基础状态下）对1C-SJ1-27m110KV铁塔对作为理论依据的的铁塔设计方案在铁塔设计中通常是优化设计，其中的基础作用力也是静态作用力。这也是本文首先对1C-SJ1-27m110KV铁塔进行静力分析的原因。
在第二章中进行有限元建模时是针对1C-SJ1-27m110KV铁塔为实际例子的，同时在各种工况下（包括大风（14N）工况，大雪（10N）工况等等）1C-SJ1-27m110KV铁塔在的外围部分载荷进行了讨论分析判断。以下是1C-SJ1-27m110KV铁塔的静力分析图
图3.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔自重图
图3.1.1 1C-SJ1-27m110KV铁塔静力分析线重+自重静力分析图
图3.1.2 1C-SJ1-27m110KV铁塔静力分析图
3.2 1C-SJ1-27m110KV铁塔的模态分析
指定求解类型为模态分析作为制定求解模型进入求解器;模态提取方法指定，大型通用有限元分析软件ANSYS中的模态提取方法有7种:
子空间法和Reduced法、BlockLanczos法或者PowerDynaimics在大多数问题解决与分析中相较于其他方法，这三种方法其实就足够，在很特殊情况下其他方法才有可能被用到。本例对1C-SJ1-27m110KV铁塔所进行的模态分析采用兰索斯法。
以下是1C-SJ1-27m110KV铁塔十阶模态分析：
图3.2.1
图3.2.2
图3.2.3
图3.2.4
图3.2.5
图3.2.6
图3.2.7
图3.2.8
图3.2.9
图3.2.10
3.3 小结
对于1C-SJ1-27m110KV输电铁塔，杆件的内力的引起主要来源于1C-SJ1-27m110KV 输电铁塔结构的导线重量(包括作用力产生1C-SJ1-27m110KV输电铁塔导线上的这一部分)，从这来看，初始应力范畴中相当于1C-SJ1-27m110KV铁塔的杆件包括在范畴内，1C-SJ1-27m110KV铁塔结构的有效刚度的减少主要在于受轴向初始应力作用的结构杆件，振动频率有所降低以及1C-SJ1-27m110KV输电铁塔结构的振动特性影响主要来自于以上的原因