Багатомасштабний аналіз кінцевих елементів довгопролітних сталевих трубчастих опорних конструкцій електропередачі: Технічний монолог
Структурна цілісність довгопролітної вежі електропередачі — ці гіганти, що перетинають лимани, долини, або широкі ріки — це не просто питання статичної міцності. Це складна розповідь про те, як енергія проходить від мікроскопічної межі зерен у сталі ASTM A709-50W до макроскопічних аеропружних коливань провідних проводів. Коли ми підходимо до технічного аналізу цих конструкцій, ми повинні відмовитися від спрощеного погляду на ферму та прийняти багатомасштабний кінцевий елемент (FE) рамка.
Думаючи про це, проблема полягає не лише у величезній висоті вежі, які можуть перевищувати 300 метри, але перехід фіз. У глобальному масштабі, ми маємо справу з динамікою, спричиненою вітром, і геометричною нелінійністю ( ефекти). У місцевому масштабі, ми маємо справу з концентрацією напруги в K- та Y-стиках сталевих труб. Якщо ми змоделюємо всю вежу суцільними елементами, обчислювальна вартість стає нескінченною прірвою; якщо використовувати тільки балкові елементи, ми втрачаємо реальність локального викривлення та втоми суглобів. Рішення є “субмоделювання” або “багатомасштабний” міст.
Металургійний пульс: Визначення матеріалу в масштабі
Ще до того, як ми створимо сітку геометрії, ми повинні враховувати матеріал. Для великопролітних веж, ASTM A709-50W (Вивітрювальна сталь) є мовчазним героєм. Він забезпечує межу текучості , але його реальна цінність полягає в його пластичності та стійкості до атмосферної корозії. У багатомасштабному аналізі, матеріальна модель повинна переходити від лінійного пружного припущення в глобальній системі до нелінійного, деформаційно-зміцнююча пластикова модель у вузлах з'єднання.
Хімічна та механічна основа для аналізу
| Параметр Категорія | Конкретна властивість | Аналітична цінність (A709-50W) | Роль у багатомасштабному FEA |
| Конститутивна модель | Модуль пружності () | Збірка матриці глобальної жорсткості | |
| Поведінка врожайності | Межа текучості () | Початок локальної вузлової пластики | |
| Демпфування | Коефіцієнт структурного демпфування | Динамічна реакція на вітер | |
| Теплові | коеф. розширення | Добове теплове навантаження на великих прольотах |
Глобальний масштаб: Макродинамічна відповідь
В моєму розумінні, вежа починається як скелетний хребет. Для основних опор і розкосів використовуємо елементи балки Тимоншенко. чому? Оскільки деформацію зсуву в товстостінних сталевих трубах не можна ігнорувати, коли ми рухаємося до основи. У такому масштабі, головним питанням є взаємодія рідини та структури (FSI). Вітер – це не просто сила; це турбулентне поле. Ми застосовуємо спектр потужності Девенпорта або Каймала для моделювання стохастичної природи поривів вітру.
Як вежа хитається, провідники діють як масивні маятники. Ефект зв’язку між натягнутими дротами та жорсткою сталевою вежею створює a “налаштована маса” ефект, який може гасити або посилювати вібрацію. Спостерігаємо геометричну нелінійність. Кожен міліметр бокового зміщення збільшує плече моменту вертикального гравітаційного навантаження. У нашому аналізі, ми використовуємо ітераційний метод Ньютона-Рафсона для вирішення рівнянь рівноваги на кожному часовому етапі симуляції вітру.
Мезоскопічний перехід: Проблема суглобів
Саме тут багатомасштабний підхід стає елегантним. Тоді як решта вежі моделюється у вигляді ліній (балки), критичні з’єднання, де сходяться чотири або п’ять сталевих труб, моделюються як елементи оболонки (S4R).
Уявіть потік стресу. Він рухається вниз по скріпці, входить в суглоб, і необхідно перерозподілити по колу основної ноги. Якщо товщина стінки недостатня, ми бачимо “овалізація” трубки. Це локальне явище вигину, яке модель балки просто пропустила б. Ми використовуємо багатоточкові обмеження (ГДК) для з’єднання елементів балки з елементами оболонки. Це забезпечує сумісність переміщень і передачу сил і моментів без створення штучних “жорсткі плями” в моделі.
Параметри вузлового уточнення
| Масштаб елемента | Тип елемента | призначення | Метод взаємодії |
| макрос | B31 (Промінь) | Загальна стійкість вежі | Жорстке посилання / ГДК |
| Мезо | S4R (оболонка) | Місцеве викривлення труб | Контакт «поверхня-поверхня». |
| Мікро | C3D8R (Твердий) | Втома кореня зварного шва | Техніка субмоделювання |
Мікромасштаб: Зварювання та втома
На найглибшому рівні аналізу, особливо в зоні теплового впливу (HAZ) зварних швів, ми стикаємося з ризиком втоми. Вежі з великим прольотом піддаються мільйонам циклів вібрації низької амплітуди. Ми беремо поле зсуву з мезомасштабної моделі оболонки та застосовуємо його як граничну умову до високоточної моделі твердих елементів самого зварного шва.
тут, ми дивимось не лише на стрес; ми розглядаємо фактор інтенсивності стресу (). Ми моделюємо зародження мікротріщин за допомогою розширеного методу скінченних елементів (XFEM). Це дозволяє тріщині проростати через сітку незалежно від меж елементів. Для наших ламп A709-50W, в “самовідновлення” шар патини також відіграє тут роль, оскільки це запобігає поверхневій точці, яка може стати ініціатором утворення тріщин.
Чому наш інженерний підхід перемагає
Коли ми проектуємо ці конструкції, ми не здогадуємось. Ми надаємо цифрового двійника вежі.
-
Матеріальна синергія: Ми використовуємо високе співвідношення міцності до ваги наших сталевих труб, дозволяючи вищі вежі з меншою площею.
-
Точність: За допомогою багатомасштабного ЗЕД, ми визначаємо потенційні точки збою (як локальна пластика хорди) які традиційні коди дизайну часто не помічають.
-
Оптимізація: Ми можемо зменшити товщину стінки в некритичних зонах на , економія сотень тонн сталі на великопролітному перетині без шкоди для запасу міцності.
Технічні вимоги до реалізації
Для успішного багатомасштабного виконання, наступні критерії є обов’язковими в нашому робочому процесі:
-
Модальний аналіз: Визначаємо перше 50 режими вібрації, щоб переконатися, що ми не пропустили резонансну частоту з вітром або провідниками.
-
Аналіз вигину: Обидва лінійні (Власне значення) і нелінійні (Метод Ріка) Для перевірки стійкості тонких трубчастих ніжок виконуються аналізи прогину.
-
Моделювання корозії: Ми зменшуємо товщину елементів оболонки в моделі протягом змодельованого 50-річного періоду, щоб передбачити стан конструкції в кінці терміну служби.
Висновок: Синтез сили і науки
Довгопролітна вежа електропередачі є шедевром рівноваги. За допомогою багатомасштабного аналізу кінцевих елементів, ми подолали розрив між мікроскопічним зерном сталі та величезним масштабом перетину річки. На цьому перехресті стоїть наша компанія, забезпечуючи не тільки необроблені сталеві труби ASTM A709-50W, але обчислювальна впевненість, що ці структури залишаться стоячи в бурях наступного століття.
