一种基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法与流程

1.本发明涉及电力金具设计技术领域，尤其涉及一种基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法。


背景技术：

2.拓扑优化是结构优化设计中最具挑战性的研究领域，是一种创新性的设计方法。连续体结构优化旨在满足约束的条件下，寻找设计域中最佳的材料分布，实现目标性能的设计。拓扑优化针对有限元划分后结构中每一个单元的有无进行设计，相比尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度，能够突破设计中对于经验的依赖，因此得到广大设计人员的青睐。
3.随着国家经济的快速增长以及通信科技等的广泛应用，电力需求与日俱增，电网行业进入蓬勃发展。由于各地资源不均衡，负责电能的传输、调节和分配的架空输电线便成为电力能源合理分配的重要一环。特高压输电线路是电网体系的核心，由于电压等级高，跨度大，耐张联板等构件承受较大的荷载，耐张联板屈曲会严重影响输电线路的安全、稳定运行。
4.为了解决耐张联板屈曲问题，提高输电线路中耐张联板的抗屈曲能力，目前主要有增加耐张联板的厚度以及在联板上焊接较长的加强筋等手段，虽然在一定程度上增加了耐张联板的抗屈曲性能，但是也大幅度提高了耐张联板的重量，不利于高空架线操作，且大幅增加了制造成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服耐张联板抗屈曲能力不强的问题，提出一种基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，对耐张联板进行拓扑优化设计，改变联板中减重孔的大小和位置，提升耐张联板的抗屈曲能力，保障特高压直流输电线路的安全运行。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.1.一种基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，设计方法包括以下步骤：
8.s1：根据待优化耐张联板的初始尺寸、初始厚度、材料信息和连接孔、吊装孔位置信息，并将减重孔去除，确定拓扑优化的初始模型，将连接孔、吊装孔区域设为固定区域，其余区域为设计区域；
9.s2：确定拓扑优化的设计变量、目标函数和约束条件，设计变量是设计区域内各子单元的厚度，目标函数是最大化耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子；约束条件是体积分数小于限定值；
10.s3：对耐张联板初始模型进行拓扑优化，并得到拓扑优化结果；
11.s4：根据拓扑优化结果，并结合加工成本、难度，得到耐张联板的合理优化设计；
12.s5：对耐张联板的合理优化设计进行非线性屈曲分析，判断屈曲荷载是否满足稳
定性要求，mises应力是否满足静强度要求，若满足，输出耐张联板的合理优化设计，若不满足，放松约束条件或者更改耐张联板的初始厚度，返回步骤s3进行拓扑优化。
13.进一步的，步骤s2中，实现过程为：
14.将初始模型中的设计区域划分为n个子单元，每个子单元的材料厚度t处于0～1之间，0代表此单元完全删除，1代表此单元完全保留，则设计变量的表达式为：
15.t＝{t1ꢀ…ꢀ
tn}
t
∈rn；
16.目标函数中的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子可以通过特征值屈曲分析得到；
17.约束条件为：
[0018][0019]
其中，volfrac为体积分数，体积分数为耐张联板的当前体积与耐张联板的初始体积之比。
[0020]
进一步的，步骤s3中，拓扑优化包括以下步骤：
[0021]
s3.1：对耐张联板结构进行特征值屈曲分析；
[0022]
s3.2：根据屈曲分析结果判定荷载比例因子是否收敛，若收敛，输出拓扑优化结果；若不收敛，进行敏感度分析，根据敏感度分析结果更改设计变量，返回步骤s3.1进行特征值屈曲分析。
[0023]
进一步的，敏感度是约束条件和目标函数的响应量，也就是耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子和体积分数对设计变量的梯度，通过敏感度分析决定设计变量的修改方向，修改方向包括增加设计区域内子单元的厚度和减小设计区域内子单元的厚度，进而修改耐张联板模型。
[0024]
进一步的，耐张联板的初始荷载包括联板自身重力荷载、屏蔽环附加荷载和导线不平衡张力附加荷载，当承受的荷载达到第一阶屈曲模态对应的荷载时，耐张联板就会发生屈曲破坏，屈曲荷载为此时的荷载比例因子与施加的初始荷载的乘积。
[0025]
进一步的，屏蔽环附加荷载等效为面荷载施加在连接屏蔽环的区域内，导线不平衡张力附加荷载通过数值模拟方法得到，首先建立耐张联板所在线路的有限元模型，覆冰荷载等效为导线的重力通过改变重力加速度获得，计算联板在导线覆、脱冰过程中所受的最大荷载，附加在耐张联板的连接孔上进行优化分析。
[0026]
与现有技术相比，本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，有以下有益效果：
[0027]
本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，通过建立待优化的屈曲联板的初始模型，设定固定区域和设计区域，在进行拓扑优化的时候，仅对设计区域内的联板厚度进行设计，固定区域内的耐张联板厚度不进行设计，避免影响吊装孔和连接孔处的强度。
[0028]
本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，通过确定拓扑优化的设计变量、目标函数和约束条件，对耐张联板初始模型中的设计区域进行拓扑优化，得到拓扑优化结果，最大化耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子，因为耐张连板的屈曲荷载等于荷载比例因子和初始荷载的乘积，所以荷载比例因子最大，也就是最大
化了耐张联板的屈曲载荷，提高了耐张联板的抗弯曲性。
[0029]
本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，对耐张联板进行拓扑优化设计，改变联板中减重孔的大小和位置，提升耐张联板的抗屈曲能力，对保障特高压直流输电线路的安全运行有着重要意义。与传统方法依靠经验增加联板厚度、宽度、高度以及焊接较长的加强筋相比，一方面具有更多的设计自由度，满足更多工程要求。另一方面可以控制联板的体积，进而控制联板的质量，有助于高空架线，且能节约工程成本。
附图说明
[0030]
图1为本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法流程示意图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0032]
请参考图1，图1为本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法流程示意图。
[0033]
本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法包括以下步骤：
[0034]
s1：根据待优化耐张联板的初始尺寸、初始厚度、材料信息和连接孔、吊装孔位置信息，并将减重孔去除，确定拓扑优化的初始模型，将连接孔、吊装孔区域设为固定区域，其余区域为设计区域；在进行拓扑优化的时候，仅对设计区域内的联板厚度进行设计，固定区域内的耐张联板厚度不进行设计，避免影响吊装孔和连接孔处的强度。
[0035]
s2：确定拓扑优化的设计变量、目标函数和约束条件，设计变量是设计区域内各子单元的厚度，目标函数是最大化耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子；约束条件是体积分数小于限定值。实现过程为：
[0036]
将初始模型中的设计区域划分为n个子单元，每个子单元的材料厚度t处于0～1之间，0代表此单元完全删除，1代表此单元完全保留，则设计变量的表达式为：
[0037]
t＝{t1ꢀ…ꢀ
tn}
t
∈rn；
[0038]
目标函数中的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子可以通过特征值屈曲分析得到；
[0039]
约束条件为：
[0040][0041]
其中，volfrac为体积分数，体积分数为耐张联板的当前体积与耐张联板的初始体积之比。
[0042]
最大化耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子就是最大化耐张联板的屈曲载荷，因为耐张连板的屈曲荷载等于荷载比例因子和初始荷载的乘积，所以荷载比例因子最大，也就是最大化了耐张联板的屈曲载荷，提高了耐张联板的抗弯曲性。
[0043]
耐张联板的初始荷载包括联板自身重力荷载、屏蔽环附加荷载和导线不平衡张力附加荷载，当承受的荷载达到第一阶屈曲模态对应的荷载时，耐张联板就会发生屈曲破坏，屈曲荷载为此时的荷载比例因子与施加的初始荷载的乘积。
[0044]
屏蔽环附加荷载等效为面荷载施加在连接屏蔽环的区域内，导线不平衡张力附加荷载通过数值模拟方法得到，首先建立耐张联板所在线路的有限元模型，覆冰荷载等效为导线的重力通过改变重力加速度获得，计算联板在导线覆、脱冰过程中所受的最大荷载，附加在耐张联板的连接孔上进行优化分析。
[0045]
s3：对耐张联板初始模型进行拓扑优化，并得到拓扑优化结果，在一些优选的实施例中，拓扑优化包括以下步骤：s3.1：对耐张联板结构进行特征值屈曲分析；s3.2：根据屈曲分析结果判定荷载比例因子是否收敛，若收敛，输出拓扑优化结果；若不收敛，进行敏感度分析，根据敏感度分析结果更改设计变量，返回步骤s3.1进行特征值屈曲分析。
[0046]
敏感度是约束条件和目标函数的响应量，也就是耐张联板的第一阶屈曲模态对应的荷载比例因子和体积分数对设计变量的梯度，通过敏感度分析决定设计变量的修改方向，修改方向包括增加设计区域内子单元的厚度和减小设计区域内子单元的厚度，进而修改耐张联板模型。
[0047]
s4：根据拓扑优化结果，并结合加工成本、难度，得到耐张联板的合理优化设计，主要是因为根据优化结果得到的耐张联板的厚度是不均匀的，并且耐张联板中减重孔的形状时不规则的，不便于加工或者加工成本较高。
[0048]
s5：对耐张联板的合理优化设计进行非线性屈曲分析，判断屈曲荷载是否满足稳定性要求，mises应力是否满足静强度要求，若满足，输出耐张联板的合理优化设计，若不满足，放松约束条件或者更改耐张联板的初始厚度，返回步骤s3进行拓扑优化。对耐张联板的合理优化设计进行静强度校核是因为特征值屈曲分析时不考虑耐张联板的应力状态，并且对优化结果进行了修改，需要通过非线性屈曲分析进一步得到耐张联板准确的屈曲荷载。
[0049]
本发明提供的基于拓扑优化的特高压输电线路耐张联板设计方法，对耐张联板进行拓扑优化设计，改变联板中减重孔的大小和位置，提升耐张联板的抗屈曲能力，对保障特高压直流输电线路的安全运行有着重要意义。与传统方法依靠经验增加联板厚度、宽度、高度以及焊接较长的加强筋相比，一方面具有更多的设计自由度，满足更多工程要求。另一方面可以控制联板的体积，进而控制联板的质量，有助于高空架线，且能节约工程成本。
[0050]
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
[0051]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。