基于Ls-Dyna求解的结构设计竞赛输电塔抗扭能力仿真优化

研究背景

       我国是世界上最大的电能源消费国，为满足我国能源大规模、远距离输送和大范围优化配置的迫切需要，发展高压输电通道已成必然。输电塔作为输电通道最重要的基本单元，是输电线路的直接支撑结构。作为为高耸构筑物，输电塔所处环境地形复杂，承受包括风荷载、冰荷载、导地线荷载等多种形式的作用，其安全性和可靠性长期以来受到广大学者及设计人员的密切关注。在西北地区，输电塔承受多方向的风荷载使其结构的内力布置复杂，极容易使塔身受剪、受扭导致其破坏。

研究方法

      对此情况，中国土木工程协会举办全国大学生结构设计大赛（以下简称结构竞赛），力求发挥大学生创新能力，寻求解决不利荷载下输电塔最优设计方案。本次投稿作品，分以下三点进行优化，（1）首先依照结构竞赛中我组的第一版输电塔结构设计为原型，在目标承载下进行仿真。（2）其次根据结果分析模型承载缺陷，结合模型试验破坏特征进行调整。（3）最后利用Ls-Dyna求解优化，提出更理想的结构设计方案。

模型概况

                                                                       图1 模型概况

荷载概况

       其主要受力特点为底部受剪、塔 身受扭、一侧主杆受压、一侧主杆受拉的形式。电塔在导线布置平行方向（0度）分布三根导线，一根导线（1#）作用在塔尖处，塔凸角不同两侧各分布一根导线（2#、3#）；电塔在导线布置垂直方向（90度）即塔尖处布置导线（4#），加载情况见表1，加载位置见图2。

                                                                       表1 荷载概况

                                                                      图2 加载位置图解

材料参数

       竹材具有与钢材相近的力学性质，结构竞赛采用竹材替代钢材。修改钢材材料关键字，替代竹材材料卡片，见图3。竹材，密度=8E-07kg/(mm^3);弹性模量=6E+06kPa;抗拉强度=6E+04kPa;抗压强度=3E+04 kPa ，泊松比=0.3。

                                                                       图3 材料参数

优化过程

      在制作模型的过程中，实体模型先于CAE仿真模型成型，模型总重520g。在模拟实际加载的过程中，模型塔身斜拉条被拉断，按模型进行CAE仿真计算，发现塔身多处有受力破坏处，塔架的破坏形式与CAE仿真分析的结果相近（仿真模型得到验证）。

    （1）模型塔身斜拉条被拉断；

    （2）杆段中部体现明显薄弱。

1、斜向拉条是沿塔身扭矩方向布置，主要受力形式为轴心受拉。由于竹材的材料性能与钢材类似，所以按钢结构设计规范对其参数进行改善。根据轴心受力构件强度计算公式：

                                                                                        由上式可知，当构件抗拉强度不足时，可以采取加大构件净截面面积的形式提高构件的抗力，所以把斜向拉条的截面加厚1mm可以有效加强拉条的抗拉强度。

      2、塔身受压主杆承受模型的所有竖向荷载，并且输电塔属高耸构筑物，压杆的长细比普遍偏大，极容易发生压弯失稳破坏，根据压弯构件截面强度计算公式：

                                                                             可知，只需在杆件中部弯矩较大处增大杆件的净截面模量，即可有效加强构件的截面强度，避免杆件发生失稳破坏。根据截面模量计算公式：

                                                                                         可知，增大截面高度是增强构件截面强度最有效的措施，因为电塔受力复杂，不易控制截面强轴的方向，并且考虑到正方形截面抗扭能力较矩形截面强，所以选择将受压主杆双向截面设计尺寸加厚1mm。

      优化方法：斜向拉条加厚1mm；受压主杆中部双向截面设计尺寸增大1mm，覆盖范围5mm；去掉方杆内（图1中4-4剖面）的十字撑。

                                                                                    图5  优化后模型概况

模型优化前破坏过程

                                                                                视频1  模型优化前

                                                                                 视频2 模型优化后

模型优化前后对比

                                                                                    图6模型优化前t=4s应力云图

                                                                                   图7模型优化后t=4s应力云图

                                                                                   图8 优化前加载点位移-时间曲线

                                                                                   图9 优化后加载点位移-时间曲线

      从优化前曲线（图8、图9）可以看出，加载2s前，塔身变形不明显，3s时钢塔彻底坍塌，竹塔出现了在建筑结构不希望发生的脆性破坏，其特点是破坏发生突然，无预兆，破坏过程时间短，威胁生命财产安全。按照优化方案修改模型后，模型质量减轻，在1级加载过程中就能观察到塔身的形变变化，进入2级加载塔身形变更加明显，最终3级加载结束竹塔未坍塌，优化后，改变了竹塔脆性缺点，提升了竹塔承载能力，模型的质量也在减小。

成果

      在基于Ls-Dyna求解器仿真优化的辅助下，我们最终完成了模型的最终定稿，与仿真计算得到的承载能力差距微小，最终的模型质量380g，承重砝码质量共计32kg。比赛中的评分标准为每级加载计算一次荷重比，按最大荷重比作为分母，每组荷重比为分子计算的得分系数，一二级加载每级占30分，三级加载占40分，最后用得分系数乘以每级所对应的分数后相加即为最终得分。设计时间短促，在Ls-Dyna求解器辅助计算的帮助下，适当放弃了一二级加载的满分成绩，着重加强结构在第三级加载时的承载能力，最终我们在激烈的比赛中取得了较为优异的成绩。

结论

       本案例设计时间较短，模型优化尚不完善，竹材的抗拉强度要远远高与它的抗压强度，争取让塔身每一根杆件的受力状态均以拉应力为主才是最理想的受力情况。首先，优化后结构仍有少数几处杆件承受较大压应力，材料性能未能充分利用。其次，模型的结构形式与杆件截面形式并不是最优配置，还需要更多的试验和仿真工作来进一步作出优化。结构的神奇之处就是在于不断的积累与创新，在CAE仿真分析手段的辅助下，相信更多的工程师可以创造出更多神奇并且稳定的优化形式。

                                                                                                               投稿人：高钰博

                                                                                                               指导教师：周文君

                                                                                                               所属单位：吉林建筑科技学院