Kết cấu tháp truyền tải điện bằng thép nhịp dài

Phân tích phần tử hữu hạn đa quy mô của kết cấu tháp hình ống thép truyền tải điện nhịp độ dài: Độc thoại kỹ thuật

Tính toàn vẹn về cấu trúc của một tháp truyền tải điện có nhịp dài—những tòa tháp khổng lồ vượt qua các cửa sông, thung lũng, hay những con sông rộng—không chỉ đơn thuần là vấn đề sức bền tĩnh. Đó là một bản tường thuật phức tạp về cách năng lượng truyền từ ranh giới hạt cực nhỏ trong thép ASTM A709-50W cho đến các dao động khí đàn hồi vĩ mô của dây dẫn. Khi chúng ta tiếp cận phân tích kỹ thuật của các cấu trúc này, chúng ta phải từ bỏ quan điểm đơn giản về một giàn và nắm lấy phần tử hữu hạn đa tỷ lệ (FE) khuôn khổ.

Đang suy nghĩ về điều này, thử thách không chỉ là chiều cao tuyệt đối của tòa tháp, có thể vượt quá 300 mét, nhưng sự chuyển đổi của vật lý. Ở quy mô toàn cầu, chúng ta giải quyết động lực học do gió gây ra và sự phi tuyến hình học (P-D các hiệu ứng). Ở quy mô địa phương, chúng tôi xử lý nồng độ ứng suất tại khớp K và khớp Y của ống thép. Nếu chúng ta mô hình hóa toàn bộ tòa tháp bằng các phần tử rắn, chi phí tính toán trở thành một vực thẳm vô tận; nếu chúng ta chỉ sử dụng phần tử chùm, chúng ta đánh mất thực tế hiện tượng oằn cục bộ và mỏi khớp. Giải pháp là “mô hình phụ” hoặc “đa quy mô” cầu.

Xung luyện kim: Định nghĩa vật liệu ở quy mô

Trước khi chúng ta chia lưới hình học, chúng ta phải xem xét vật liệu. Đối với tháp nhịp dài, ASTM A709-50W (Thép phong hóa) là nhân vật chính thầm lặng. Nó cung cấp sức mạnh năng suất của 345 MPa, nhưng giá trị thực sự của nó là độ dẻo và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển. Trong một phân tích đa quy mô, mô hình vật liệu phải chuyển từ giả định đàn hồi tuyến tính trong khung tổng thể sang mô hình phi tuyến, mô hình nhựa chịu biến dạng tại các nút kết nối.

Đường cơ sở hóa học và cơ học để phân tích

---

Quy mô toàn cầu: Phản hồi động vĩ mô

Trong tâm trí tôi, tòa tháp bắt đầu như một bộ xương sống. Chúng tôi sử dụng phần tử dầm Timonshenko cho các chân chính và hệ giằng. Tại sao? Vì không thể bỏ qua biến dạng cắt của ống thép có thành dày khi chúng ta di chuyển về phía đế. Ở quy mô này, mối quan tâm hàng đầu là Tương tác Chất lỏng-Cấu trúc (FSI). Gió không chỉ là một lực; đó là một lĩnh vực hỗn loạn. Chúng tôi áp dụng phổ công suất Davenport hoặc Kaimal để mô phỏng tính chất ngẫu nhiên của gió giật.

Khi tòa tháp lắc lư, các dây dẫn hoạt động như những con lắc lớn. Hiệu ứng ghép nối giữa dây căng và tháp thép cứng tạo ra “khối lượng điều chỉnh” hiệu ứng có thể làm giảm hoặc khuếch đại độ rung. Chúng tôi quan sát sự phi tuyến hình học. Mỗi milimet dịch chuyển ngang làm tăng cánh tay đòn của tải trọng trọng trường thẳng đứng. Trong phân tích của chúng tôi, chúng tôi sử dụng phương pháp lặp Newton-Raphson để giải các phương trình cân bằng tại mỗi bước thời gian của mô phỏng gió.

---

Sự chuyển đổi siêu âm: Vấn đề chung

Đây là nơi cách tiếp cận đa quy mô trở nên tinh tế. Trong khi phần còn lại của tòa tháp được mô hình hóa thành các đường (dầm), các khớp nối quan trọng—nơi bốn hoặc năm ống thép hội tụ—được mô hình hóa thành các phần tử Shell (S4R).

Hãy tưởng tượng dòng chảy căng thẳng. Nó di chuyển xuống giằng, đi vào khớp, và phải phân bố lại xung quanh chu vi của chân chính. Nếu độ dày của tường không đủ, chúng tôi thấy “sự hình bầu dục” của ống. Đây là hiện tượng mất ổn định cục bộ mà mô hình chùm tia có thể bỏ qua.. Chúng tôi sử dụng Ràng buộc đa điểm (MPC) để liên kết các phần tử chùm với các phần tử vỏ. Điều này đảm bảo tính tương thích của chuyển vị và truyền lực và mô men mà không tạo ra sự nhân tạo. “điểm cứng” trong mô hình.

Thông số sàng lọc nút

---

Quy mô vi mô: Mối hàn và độ mỏi

Ở cấp độ phân tích sâu nhất, đặc biệt là ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của các mối hàn, chúng ta gặp phải nguy cơ mệt mỏi. Tháp có nhịp dài phải chịu hàng triệu chu kỳ rung biên độ thấp. Chúng tôi lấy trường dịch chuyển từ mô hình vỏ quy mô trung bình và áp dụng nó làm điều kiện biên cho mô hình Phần tử rắn được tinh chỉnh cao của chính mối hàn.

Đây, chúng tôi không chỉ nhìn vào sự căng thẳng; chúng tôi đang xem xét Yếu tố cường độ căng thẳng (K). Chúng tôi mô phỏng sự khởi đầu của các vết nứt vi mô bằng Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng (XFEM). Điều này cho phép vết nứt phát triển xuyên qua lưới mà không phụ thuộc vào ranh giới phần tử. Đối với đèn A709-50W của chúng tôi, cái “tự chữa bệnh” Lớp patina cũng đóng một vai trò ở đây, vì nó ngăn ngừa hiện tượng rỗ bề mặt có thể đóng vai trò là tác nhân gây ra vết nứt.

---

Tại sao phương pháp tiếp cận kỹ thuật của chúng tôi thắng

Khi chúng tôi thiết kế những cấu trúc này, chúng tôi không đoán. Chúng tôi đang cung cấp một bản song sinh kỹ thuật số của tòa tháp.

1. Sức mạnh tổng hợp vật chất: Chúng tôi tận dụng tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao của các ống thép của mình, cho phép các tòa tháp cao hơn với diện tích nhỏ hơn.

2. Sự chính xác: Bằng cách sử dụng FEA đa quy mô, chúng tôi xác định các điểm thất bại tiềm ẩn (giống như sự dẻo hóa khuôn mặt hợp âm địa phương) mà các quy tắc thiết kế truyền thống thường bỏ qua.

3. Tối ưu hóa: Chúng ta có thể giảm độ dày thành ở những vùng không quan trọng bằng cách 10−15%, tiết kiệm hàng trăm tấn thép khi vượt nhịp dài mà không ảnh hưởng đến hệ số an toàn.

---

Yêu cầu kỹ thuật để thực hiện

Để thực hiện thành công trên nhiều quy mô, các tiêu chí sau đây là bắt buộc trong quy trình làm việc của chúng tôi:

• Phân tích phương thức: Chúng tôi xác định đầu tiên 50 chế độ rung để đảm bảo chúng tôi không bỏ lỡ tần số cộng hưởng với gió hoặc dây dẫn.

• Phân tích độ vênh: Cả tuyến tính (giá trị riêng) và phi tuyến (Phương pháp của Rick) phân tích oằn được thực hiện để xác minh độ ổn định của chân hình ống thanh mảnh.

• Mô hình ăn mòn: Chúng tôi giảm độ dày của các phần tử vỏ trong mô hình trong khoảng thời gian 50 năm mô phỏng để dự đoán trạng thái kết cấu cuối vòng đời.

Phần kết luận: Sự tổng hợp của sức mạnh và khoa học

Tháp truyền tải nhịp dài là tuyệt tác của sự cân bằng. Thông qua phân tích phần tử hữu hạn đa quy mô, chúng tôi thu hẹp khoảng cách giữa hạt thép siêu nhỏ và quy mô lớn của việc vượt sông. Công ty chúng tôi đứng ở ngã tư này, không chỉ cung cấp ống thép thô ASTM A709-50W, nhưng sự chắc chắn về mặt tính toán rằng những cấu trúc này sẽ vẫn đứng vững qua những cơn bão của thế kỷ tiếp theo.