一种输电铁塔荷载动态分析方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及输电线路工程，具体涉及一种输电铁塔荷载动态分析方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、随着输电线路三维设计的推广，电网信息（grid information model，gim）模型已经能够表达杆塔、导线、绝缘子、金具、地形和基础的三维设计信息。但现有输电铁塔gim模型通常以设计展示和施工交付为主要用途，模型数据量较大，构件之间的空间调用效率较低，并且构件材料、连接方式、构件规格与设计编号之间的关联关系不够完整。在进行铁塔受力分析时，仍需要人工整理杆件属性、连接关系和分析模型，难以直接从输电铁塔gim模型形成可计算的有限元模型，影响输电铁塔荷载分析的建模效率和计算准确性。

2、同时，输电线路实际运行状态与设计模型之间存在偏差，杆塔位置、地形基础、导线空间状态会受到现场环境影响。现有方法往往将三维设计模型、激光点云数据、倾斜摄影模型、风荷载、温度荷载和覆冰荷载分开处理，难以在同一坐标基准下完成模型配准、耦合荷载施加、非线性受力求解和健康预警。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，本发明提供一种输电铁塔荷载动态分析方法、系统、设备及介质。

2、因此，本发明解决的技术问题是：如何解决现有方法往往将三维设计模型、激光点云数据、倾斜摄影模型、风荷载、温度荷载和覆冰荷载分开处理，难以在同一坐标基准下完成模型配准、耦合荷载施加、非线性受力求解和健康预警的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种输电铁塔荷载动态分析方法，其包括，对输电铁塔gim模型进行轻量化改造和语义信息增强，采用八叉树划分模型空间，构建数据块的多级细节层次模型和r树空间索引，基于输电铁塔gim模型中的构件信息关联工程属性图谱库，得到多层次塔线信息模型；基于激光点云数据和倾斜摄影实景模型，对多层次塔线信息模型进行特征点提取，建立初始位姿关系，对初始位姿关系进行迭代配准，得到坐标系统一的基准模型；基于动态风荷载、温度荷载和覆冰荷载生成耦合荷载向量，按照工况组合形成荷载包络；基于基准模型建立有限元模型，将耦合荷载向量分步施加至有限元模型，进行非线性求解，得到杆件内力分布、杆件应力和节点位移；基于杆件内力分布、杆件应力和节点位移，执行应力比分级预警、位移阈值预警和剩余寿命评估，输出铁塔健康状态评估结果。

4、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述对输电铁塔gim模型进行轻量化改造和语义信息增强，采用八叉树划分模型空间，构建数据块的多级细节层次模型和r树空间索引，基于输电铁塔gim模型中的构件信息关联工程属性图谱库，得到多层次塔线信息模型，包括：解析输电铁塔gim模型，获取构件几何信息和构件拓扑关系，根据铁塔结构的局部结构复杂程度和构件密集程度，对模型空间进行八叉树非均匀递归划分，形成基于铁塔局部结构复杂程度和构件密集程度划分的数据块；针对数据块构建多级细节层次模型，保留原始网格数据形成第一细节层次模型，采用边折叠处理形成第二细节层次模型，采用采样重建处理形成第三细节层次模型；以数据块的空间包围范围作为索引关键字建立r树空间索引，根据视点距离和视点范围调用目标数据块和目标细节层次模型；将输电铁塔gim模型转换为构件节点图结构，依据输电铁塔gim模型中的构件信息从工程属性图谱库注入构件属性，得到多层次塔线信息模型。

5、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述基于激光点云数据和倾斜摄影实景模型，对多层次塔线信息模型进行特征点提取，建立初始位姿关系，对初始位姿关系进行迭代配准，得到坐标系统一的基准模型，包括：获取输电线路走廊的激光点云数据，对点云数据采集过程中的飞行轨迹和姿态信息进行解算；基于飞行轨迹和姿态信息，将激光点云数据由传感器坐标系转换至大地坐标系，对转换后的激光点云数据进行滤波分类和曲面重建，生成激光点云模型；获取倾斜摄影影像，对倾斜摄影影像进行空中三角测量、点云生成、不规则三角网构建和纹理映射，生成倾斜摄影实景模型；从多层次塔线信息模型、激光点云模型和倾斜摄影实景模型中提取共享结构特征点，基于共享结构特征点建立初始位姿关系，对初始位姿关系进行迭代配准，得到坐标系统一的基准模型。

6、本优选方案通过点云模型、实景模型与多层次塔线信息模型配准，提高基准模型与现场环境的一致性。

7、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述基于动态风荷载、温度荷载和覆冰荷载生成耦合荷载向量，按照工况组合形成荷载包络，包括：根据风场参数建立沿高度变化的平均风速，基于脉动风模拟方法生成脉动风速时程；基于平均风速和脉动风速时程计算导线风荷载和铁塔风荷载，导线风荷载根据导线计算外径和风速叠加结果确定，铁塔风荷载根据铁塔高度分段结果施加至分段形心；根据环境温度与基准温度的差异确定温度荷载，根据覆冰厚度、覆冰密度和覆冰分布确定导线覆冰荷载和铁塔覆冰荷载；将导线风荷载、铁塔风荷载、温度荷载、导线覆冰荷载和铁塔覆冰荷载按照时间步和空间点整合，生成耦合荷载向量；基于大风工况、覆冰工况、低温工况和不均匀覆冰风工况对耦合荷载向量进行组合计算，形成荷载包络。

8、本优选方案通过融合风、温度和覆冰荷载，使荷载分析更贴近输电线路实际运行工况。

9、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述基于基准模型建立有限元模型，将耦合荷载向量分步施加至有限元模型，进行非线性求解，得到杆件内力分布、杆件应力和节点位移，包括：依据基准模型中的杆塔空间位置、构件属性和构件连接关系建立有限元模型，将主材和横担配置为梁单元，将斜材和辅助材配置为杆单元；基于多层次塔线信息模型中的连接方式，设置主材与斜材连接点、主材与主材连接点和塔脚边界的有限元约束关系；将荷载包络中的耦合荷载向量按时间步分步施加至有限元模型，采用考虑几何非线性和材料非线性的非线性迭代求解方式进行受力计算；基于力残差和位移增量判断荷载步收敛状态，响应于荷载步满足收敛条件，提取杆件内力分布、杆件应力和节点位移。

10、本优选方案通过结合构件属性、连接关系和塔脚边界进行非线性求解，提高杆件受力分析的准确性。

11、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述基于杆件内力分布、杆件应力和节点位移，执行应力比分级预警、位移阈值预警和剩余寿命评估，输出铁塔健康状态评估结果，包括：基于最不利荷载组合下的杆件应力、杆件轴向力、材料强度设计值和杆件截面面积，确定每个杆件的最大应力比，根据最大应力比所处区间生成应力比分级预警结果；从节点位移中提取塔顶水平位移、横担竖向位移和层间侧移角，将塔顶水平位移、横担竖向位移和层间侧移角分别与预设限值进行比较，根据超限比例生成位移阈值预警结果；基于历史气象数据和杆件应力形成关键杆件应力时程，对关键杆件应力时程进行雨流计数，得到包含应力幅和应力均值的疲劳载荷谱；基于疲劳载荷谱和材料寿命曲线进行累积损伤计算，根据累积损伤结果和年均载荷谱生成剩余寿命评估结果，融合应力比分级预警结果、位移阈值预警结果和剩余寿命评估结果，输出铁塔健康状态评估结果。

12、本优选方案通过融合应力、位移和寿命评估结果，实现对铁塔健康状态的多维度预警。

13、作为本发明所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的一种优选方案，其中：所述从多层次塔线信息模型、激光点云模型和倾斜摄影实景模型中提取共享结构特征点，基于共享结构特征点建立初始位姿关系，对初始位姿关系进行迭代配准，得到坐标系统一的基准模型，包括：根据共享结构特征点之间的匹配关系，确定多层次塔线信息模型与激光点云模型、倾斜摄影实景模型之间的匹配点对；基于匹配点对计算多层次塔线信息模型与激光点云模型、倾斜摄影实景模型之间的初始旋转矩阵和平移向量，并由初始旋转矩阵和平移向量形成初始位姿关系；以初始位姿关系作为配准初值，对多层次塔线信息模型、激光点云模型和倾斜摄影实景模型进行迭代配准；响应于迭代终止条件满足，输出坐标系统一的基准模型。

14、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种输电铁塔荷载动态分析系统，包括：模型改造模块、数据融合模块、荷载分析模块、结构分析模块及评估预警模块；所述模型改造模块用于对输电铁塔gim模型进行轻量化改造和语义信息增强，采用八叉树划分模型空间，构建数据块的多级细节层次模型和r树空间索引，基于输电铁塔gim模型中的构件信息关联工程属性图谱库，得到多层次塔线信息模型；所述数据融合模块用于基于激光点云数据和倾斜摄影实景模型，对多层次塔线信息模型进行特征点提取，建立初始位姿关系，对初始位姿关系进行迭代配准，得到坐标系统一的基准模型；所述荷载分析模块用于基于动态风荷载、温度荷载和覆冰荷载生成耦合荷载向量，按照工况组合形成荷载包络；所述结构分析模块用于基于基准模型建立有限元模型，将耦合荷载向量分步施加至有限元模型，进行非线性求解，得到杆件内力分布、杆件应力和节点位移；所述评估预警模块用于基于杆件内力分布、杆件应力和节点位移，执行应力比分级预警、位移阈值预警和剩余寿命评估，输出铁塔健康状态评估结果。

15、本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的步骤。

16、本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种输电铁塔荷载动态分析方法的步骤。

17、本发明的有益效果：本发明通过对输电铁塔gim模型进行轻量化改造和语义信息增强，使原本偏向设计展示的三维模型能够进一步承载构件属性、连接关系和空间索引信息，为后续荷载分析提供可直接调用的模型基础。同时，基于激光点云数据和倾斜摄影实景模型构建坐标系统一的基准模型，能够减小设计模型与现场实际环境之间的偏差，使杆塔位置、地形基础和构件空间关系更接近实际运行状态。

18、本发明还将动态风荷载、温度荷载和覆冰荷载进行耦合分析，并结合有限元模型开展非线性求解，能够获得杆件内力分布、杆件应力和节点位移等分析结果。