سازه های برج لوله ای فولادی انتقال نیرو با دهانه بلند

تحلیل اجزای محدود چند مقیاسی سازه‌های برج لوله‌ای فولادی انتقال نیرو با دهانه بلند: یک مونولوگ فنی

یکپارچگی ساختاری یک برج انتقال نیرو با دهانه طولانی - غول هایی که از مصب رودخانه ها عبور می کنند, دره ها, یا رودخانه های عریض - صرفاً بحث قدرت ساکن نیست. این یک روایت پیچیده از چگونگی حرکت انرژی از مرز دانه میکروسکوپی در فولاد ASTM A709-50W تا ارتعاشات هواالاستیک ماکروسکوپیک سیم‌های هادی است.. وقتی به تحلیل تکنیکال این سازه ها نزدیک می شویم, ما باید دیدگاه ساده‌سازی یک خرپا را کنار بگذاریم و یک عنصر محدود چند مقیاسی را در آغوش بگیریم (FE) چارچوب.

فکر کردن در مورد این, چالش فقط ارتفاع بسیار زیاد برج نیست, که می تواند تجاوز کند 300 متر, اما انتقال فیزیک. در مقیاس جهانی, ما با دینامیک ناشی از باد و غیرخطی بودن هندسی سر و کار داریم (P-D اثرات). در مقیاس محلی, ما با غلظت تنش در مفاصل K و Y لوله های فولادی سروکار داریم. اگر کل برج را با عناصر جامد مدل کنیم, هزینه محاسباتی به یک ورطه بی نهایت تبدیل می شود; اگر فقط از عناصر تیر استفاده کنیم, ما واقعیت کمانش موضعی و خستگی مفاصل را از دست می دهیم. راه حل این است “مدل سازی فرعی” یا “چند مقیاسی” پل.

پالس متالورژی: تعریف مواد در مقیاس

حتی قبل از اینکه هندسه را مشبک کنیم, ما باید مواد را در نظر بگیریم. برای برج های بلند, ASTM A709-50W (فولاد هوازدگی) قهرمان خاموش است. این قدرت تسلیم را ارائه می دهد 345 MPa, اما ارزش واقعی آن شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی اتمسفر است. در یک تحلیل چند مقیاسی, مدل ماده باید از یک فرض الاستیک خطی در قاب کلی به یک غیرخطی تبدیل شود, مدل پلاستیک سخت‌کننده کرنش در گره‌های اتصال.

پایه شیمیایی و مکانیکی برای تجزیه و تحلیل

---

مقیاس جهانی: پاسخ پویا ماکرو

در ذهن من, برج به عنوان ستون فقرات اسکلتی شروع می شود. ما از عناصر تیر تیمونشنکو برای پایه های اولیه و مهاربندی استفاده می کنیم. چرا? زیرا تغییر شکل برشی در لوله های فولادی با دیواره ضخیم را نمی توان در حالی که به سمت پایه حرکت می کنیم نادیده گرفت.. در این مقیاس, نگرانی اصلی برهمکنش سیال-ساختار است (FSI). باد فقط یک نیرو نیست; این یک میدان متلاطم است. ما از طیف قدرت Davenport یا Kaimal برای شبیه سازی ماهیت تصادفی وزش باد استفاده می کنیم..

همانطور که برج تاب می خورد, هادی ها مانند آونگ های عظیم عمل می کنند. اثر جفت بین سیم های کشش یافته و برج فولادی سفت ایجاد می کند “توده تنظیم شده” اثری که می تواند ارتعاش را کاهش داده یا تقویت کند. ما غیرخطی هندسی را مشاهده می کنیم. هر میلی متر جابجایی جانبی بازوی لحظه ای بار گرانشی عمودی را افزایش می دهد. در تحلیل ما, ما از روش تکرار نیوتن رافسون برای حل معادلات تعادل در هر مرحله زمانی شبیه سازی باد استفاده می کنیم..

---

انتقال مزوسکوپی: مشکل مشترک

اینجاست که رویکرد چند مقیاسی ظریف می شود. در حالی که بقیه برج به صورت خطوط مدل سازی شده است (تیرها), اتصالات بحرانی - جایی که چهار یا پنج لوله فولادی همگرا می شوند - به عنوان عناصر پوسته مدل می شوند (S4R).

جریان استرس را تصور کنید. به سمت پایین مهاربند حرکت می کند, وارد مفصل می شود, و باید در اطراف ساق پای اصلی دوباره توزیع شود. اگر ضخامت دیوار کافی نیست, ما می بینیم “بیضی سازی” از لوله. این یک پدیده کمانش محلی است که یک مدل پرتو به سادگی آن را از دست می دهد. ما از محدودیت های چند نقطه ای استفاده می کنیم (MPC) برای اتصال عناصر تیر به عناصر پوسته. این امر سازگاری جابجایی ها و انتقال نیروها و گشتاورها را بدون ایجاد مصنوعی تضمین می کند “نقاط سخت” در مدل.

پارامترهای اصلاح گره

---

مقیاس خرد: جوش و خستگی

در عمیق ترین سطح تحلیل, به طور خاص در منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) از جوش ها, ما با خطر خستگی مواجه می شویم. برج های با دهانه بلند در معرض میلیون ها چرخه ارتعاش با دامنه کم قرار دارند. ما میدان جابجایی را از مدل پوسته در مقیاس مزو می گیریم و آن را به عنوان یک شرط مرزی برای یک مدل عنصر جامد بسیار تصفیه شده خود جوش اعمال می کنیم..

اینجا, ما فقط به استرس نگاه نمی کنیم; ما به فاکتور شدت استرس نگاه می کنیم (ک). ما شروع ریز ترک ها را با استفاده از روش المان محدود توسعه یافته شبیه سازی می کنیم (XFEM). این اجازه می دهد تا ترک از طریق شبکه مستقل از مرزهای عنصر رشد کند. برای لوله های A709-50W ما, را “خود درمانی” لایه پتینه نیز در اینجا نقش دارد, زیرا از ایجاد حفره سطحی که می تواند به عنوان آغازگر ترک عمل کند، جلوگیری می کند.

---

چرا رویکرد مهندسی ما برنده می شود؟

وقتی این سازه ها را طراحی می کنیم, ما حدس نمی زنیم. ما در حال ارائه یک دوقلوی دیجیتالی از برج هستیم.

1. هم افزایی مواد: ما از نسبت استحکام به وزن لوله های فولادی خود استفاده می کنیم, امکان ساخت برج های بلندتر با ردپای کوچکتر.

2. دقت: با استفاده از FEA چند مقیاسی, ما نقاط شکست بالقوه را شناسایی می کنیم (مانند plastification صورت وتر محلی) که کدهای طراحی سنتی اغلب نادیده گرفته می شوند.

3. بهینه سازی: ما می توانیم ضخامت دیوار را در مناطق غیر بحرانی کاهش دهیم 10-15٪, صرفه جویی در صدها تن فولاد در یک تقاطع طولانی بدون به خطر انداختن ضریب ایمنی.

---

الزامات فنی برای اجرا

برای اجرای موفقیت آمیز چند مقیاسی, معیارهای زیر در گردش کار ما الزامی است:

• تحلیل مودال: ما اول را شناسایی می کنیم 50 حالت های ارتعاش برای اطمینان از اینکه فرکانس تشدید با باد یا هادی ها را از دست ندهیم.

• تجزیه و تحلیل کمانش: هر دو خطی (مقدار ویژه) و غیر خطی (روش ریک) تجزیه و تحلیل کمانش برای تأیید پایداری پاهای لوله‌ای باریک انجام می‌شود.

• مدل سازی خوردگی: ما ضخامت عناصر پوسته را در مدل طی یک دوره 50 ساله شبیه سازی شده کاهش می دهیم تا وضعیت ساختاری پایان عمر را پیش بینی کنیم..

نتیجه گیری: سنتز قدرت و علم

برج انتقال با دهانه بلند شاهکار تعادل است. از طریق تجزیه و تحلیل اجزای محدود چند مقیاسی, ما شکاف بین دانه میکروسکوپی فولاد و مقیاس عظیم عبور رودخانه را پر می کنیم. شرکت ما در این تقاطع ایستاده است, ارائه نه تنها لوله های فولادی خام ASTM A709-50W, اما اطمینان محاسباتی که این سازه ها در طول طوفان های قرن آینده پابرجا خواهند ماند.