多体动力学在悬吊式阀塔抗地震分析的应用范文

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《民主与科学》2017年第6期

［提要］考虑到悬吊式阀塔在地震作用下会产生大幅摆动，而传统的有限元分析方法，无法满足大幅摆动的模拟计算准确度要求。基于悬吊结构的实际情况，本文将悬吊式阀塔在地震作用下的摆动理解为一种运动状态，并通过运动学+动力学的方法对其进行抗震分析研究，验证了该方法在悬吊式阀塔抗震分析中的有效性。

［关键词］悬吊式阀塔;多体动力学;抗地震分析;摆幅

特高压直流输电(HVDC)在交流系统联网、西电东输等方面都起着至关重要的作用，国内已建成±800kV向家坝－上海、锦屏－苏南等多条直流输电线路。换流阀是高压直流工程一次系统中的核心设备，其体积庞大，结构形式复杂，换流阀的设计性能直接影响整个直流系统的长期安全可靠运行。随着电力系统建设的不断发展，对高压输电工程的抗地震要求越来越高，而采用悬吊式的柔性结构，能有效降低阀塔内部结构件在地震作用下的应力。但由于该类结构的连接及悬挂方式，使得该结构在地震波的激励下，可能会产生大幅度的摆动，这与属于载荷激励下变形位移的传统地面固定结构有着明显的区别，悬吊式结构属于载荷激励下的运动摆幅，二者的模拟方法存在差异［1］。出于载荷分解及运动摆幅的计算分析目的，国内外的学者均做过相关的研究。美国的B．J．Goodno建立了悬吊阀塔的三维计算模型，通过有限元计算方法对其性能进行了分析［2］;从控制的角度对悬吊装置在地震作用下的性能进行了分析［3］;国内学者王前信、卢书辉等对悬吊阀塔的振动特性和地震反应进行了系统的研究［4］;王玉明等对悬吊阀塔的多层框架结果的抗震性能进行了研究，分析其结构的自振特性［5］。本文在传统的两种抗震分析方法:谱分析法［6］及时程分析法［7］中选择时程分析法对柔性阀塔进行抗地震模型搭建，主要原因是该方法可以准确地对塔架中的非线性效应(刚度随时间变化、行程限定的构件等)进行准确的模型搭建。对于时程分析方法，其评定的准则采用电力设备规范［8］进行分析。

1多体动力学理论简介

对于抗震分析，多采用时程分析方法，而对于时程分析方法，采用传统的有限元时域分析［9］，以及基于运动学的刚柔耦合分析方法［10］都可以准确的进行抗地震分析的模拟。

2悬吊式阀塔多体动力学建模

2.1模型构建

为了更加准确地捕捉阀塔与阀厅之间的连接关系及阀厅的钢结构对阀塔的影响，在多体动力学建模的过程中，将阀厅的模型采用BEAM单元进行模拟，其中横截面采用钢结构的实际截面来进行考虑;阀厅的模型采用BEAM模型模拟;阀塔关心的位置:柔性绝缘子(采用实体建模)，限位装置采用(与位移相关的弹簧单元模拟)，滑动套管(采用与位移相关的弹簧单元模拟)。

2.2载荷加载

基于上述多体动力学模型，以及当地的地震谱特性，本次的载荷采用国网标准波进行加载，加载采用X，Y，Z三向激振方式进行［7］，分析方法采用时程分析法进行计算。

2.3仿真分析

结果对于悬吊式阀塔，其最关心的结果为塔架的摆幅、绝缘子的应力及悬挂吊耳的承载;因此基于多体动力学分析方法，可以实现有效地将地震激励载荷分解到吊耳上，从而便于吊耳、绝缘子的设计部门进行强度校核，并同时可以有效地输出阀塔的摆动位移，以有效的在前期设计过程中对其进行限位设计。

3结论

本文通过采用刚柔耦合的多体动力学方法，对柔性阀塔及阀厅进行了多体动力学建模，并采用时程分析方法得到了其在地震波激励情况下，阀塔的摆幅及各个关键部件的应力，验证了刚柔耦合多体动力学分析方法在抗地震分析方面的有效性。并通过该分析方法，达到了以下目的:1)将地震载荷分解到了各个子部件;2)整个系统的摆幅得到了有效的求解;3)各个部件的强度分析可以基于分解的载荷进行，减小了建模的复杂性。同时，也验证了该方法相对于传统有限元动力学求解方法的优势，为未来的悬吊式电力设备的抗地震分析提供了更加有效的解决方案。

作者：刘国伟；于海波；张晓波 单位：南京南瑞继保电气有限公司