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拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究

作　者: 朱斌
导　师: 高强
学　校: 苏州大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 拉线式猫头输电塔线体系有限元法风荷载磁流变阻尼器仿真双态控制模糊控制
分类号: TM753
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高压输电塔线体系遍布全国,是一种应用极广的生命线工程结构。它的安全可靠将直接关系到整个输电线路的安全运行。高压输电塔线体系有着塔体高、跨距大、柔性强的共同特点,此外输电塔线体系的周期较长,较接近于风的卓越周期,对风荷载十分敏感。这种输电塔线体系常常会因为风荷载而造成结构体系严重破坏,从而导致整个供电系统瘫痪,给社会经济带来重大损失。因此,对于输电塔线体系,风荷载是一种极其重要的设计荷载,研究它在风荷载下的结构动力特性响应及其相应的安全性已成为目前研究的热点。而拉线式猫头输电塔线体系由于其特殊的结构,所以具有很强的几何非线性,导致其力学性质更加复杂,目前也很少见到对它在风荷载作用下的结构动力特性响应及其相应的安全性研究。本文首先建立了拉线式猫头输电塔线体系的有限元模型,对它进行模态分析,得到了猫头输电单塔、拉线式猫头输电塔及拉线式猫头输电塔线体系的固有频率及振型,结果表明拉索和输电线均对输电塔线体系整体的固有频率有影响。其次对拉线式猫头输电塔线体系进行了风荷载作用下的动态响应分析,得到其在0°、45°、60°和90°四种不同工况脉动风荷载作用下的位移、速度和加速度响应值。结果表明,在该脉动风荷载作用下,输电塔线体系的振动位移、速度和加速度最大值均过大,需要进行风振控制。接着在介绍耗能减振技术研究应用与发展的基础上,主要介绍了磁流变阻尼器的力学特性及动力学模型,并建立了该磁流变阻尼器修正Bouc-Wen模型的Simulink仿真模型然后进行了力学性能仿真分析。最后,通过模型简化计算方法得到拉线式猫头输电塔线体系侧向和纵向的总体质量矩阵和总体刚度矩阵;并建立了拉线式猫头输电塔线体系各工况Simulink风振仿真模型。在研究结构半主动控制算法及磁流变阻尼器具体安装位置的基础上,选择双态控制和模糊控制两种半主动控制方法对拉线式猫头输电塔线体系使用磁流变阻尼器进行半主动风振控制,并建立相应的输电塔线体系各工况Simulink风振控制仿真模型,对控制效果进行分析对比,为拉线式猫头输电塔线体系的风振控制提出了一个新的思路和实践。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
  1.3 工程背景  15-16
  1.4 研究内容及意义  16-18
第二章拉线式猫头输电塔线体系模态分析  18-39
  2.1 概述  18
  2.2 有限元法简介  18-24
    2.2.1 杆单元  19-21
    2.2.2 梁单元  21-23
    2.2.3 索元  23-24
  2.3 拉线式猫头输电塔线体系模态分析  24-37
    2.3.1 无阻尼自由振动方程  24-26
    2.3.2 模态提取方法  26-28
    2.3.3 拉线式猫头输电塔线体系的有限元模型  28-30
    2.3.4 拉线式猫头输电塔模态分析  30-35
    2.3.5 拉线式猫头输电塔线体系模态分析  35-37
  2.4 本章小结  37-39
第三章拉线式猫头输电塔线体系风振响应分析  39-69
  3.1 概述  39-40
  3.2 风的基本特性  40-46
    3.2.1 平均风速剖面  42-43
    3.2.2 平均风速与风向的概率密度函数  43-44
    3.2.3 脉动风速谱  44-46
  3.3 风荷载的计算与加载  46-53
    3.3.1 输电塔风荷载计算  47-49
    3.3.2 导、地线风荷载计算  49-50
    3.3.3 拉线式猫头输电塔线体系风荷载实际计算  50-52
    3.3.4 风荷载加载方式  52-53
  3.4 拉线式猫头输电塔线体系在脉动风作用下的动态响应分析  53-67
    3.4.1 动态响应方程及求解  53-55
    3.4.2 结构阻尼  55
    3.4.3 动态响应计算结果  55-67
  3.5 本章小结  67-69
第四章磁流变阻尼器的力学特性及性能仿真  69-89
  4.1 概述  69
  4.2 耗能减振技术的研究应用及发展  69-73
    4.2.1 传统的耗能减振技术  69-71
    4.2.2 智能材料及耗能减振技术  71-73
  4.3 磁流变阻尼器的特性及其力学模型  73-82
    4.3.1 磁流变体的流变机理与本构关系  73-75
    4.3.2 影响磁流变体性能的因素  75-76
    4.3.3 磁流变阻尼器阻尼力计算模型  76-78
    4.3.4 磁流变阻尼器动力学模型  78-82
  4.4 磁流变阻尼器力学性能仿真分析  82-87
    4.4.1 Matlab/Simulink 简介  82
    4.4.2 磁流变阻尼器力学性能仿真分析  82-87
  4.5 本章小结  87-89
第五章基于磁流变阻尼器的拉线式猫头输电塔线体系风振控制  89-126
  5.1 概述  89-90
  5.2 拉线式猫头输电塔线体系结构风振控制  90-91
  5.3 拉线式猫头输电塔线体系简化力学模型及风振仿真  91-108
    5.3.1 拉线式猫头输电塔简化刚度矩阵  91-93
    5.3.2 拉线式猫头输电塔线体系侧向(X 向)振动简化模型  93-95
    5.3.3 拉线式猫头输电塔线体系纵向(Y 向)振动简化模型  95-99
    5.3.4 拉线式猫头输电塔线体系风振仿真  99-108
    5.3.5 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器风振基本控制方程  108
  5.4 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器半主动控制研究  108-119
    5.4.1 基于位移和速度方向的半主动控制算法  109-111
    5.4.2 基于模糊控制的半主动控制算法  111-119
      5.4.2.1 模糊逻辑理论的基本概念  111-114
      5.4.2.2 模糊控制系统的基本原理及构成  114-115
      5.4.2.3 模糊控制器具体设计  115-119
  5.5 拉线式猫头输电塔线体系各半主动风振控制效果分析  119-125
    5.5.1 拉线式猫头输电塔线体系磁流变阻尼器具体安装位置  119-121
    5.5.2 拉线式猫头输电塔线体系各半主动风振控制效果分析  121-125
  5.6 本章小结  125-126
第六章总结与展望  126-128
  6.1 总结  126-127
  6.2 展望  127-128
参考文献  128-136
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  136-137
致谢  137-138

拉线式猫头输电塔线体系风振响应及风振控制研究

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