山地輸電塔模型計算機仿真分析

趙雄輝 馬云飛 陶杰

摘要：本文針對2019年第十三屆全國大學生結構設計比賽中山地輸電塔結構模型設計與制作。將計算機仿真分析引入結構設計競賽，有助于提高結構設計競賽的分析和設計水平，對推動相關專業本科教學具有一定的指導意義。

關鍵詞：仿真分析；約束條件；結構大賽；結構優化

結構設計比賽已被列為全國大學生科技創新賽事之一。該賽事主要針對工程及相關專業的在校大學生，非常具有創造性和挑戰性，鞏固和提高學生的專業知識，培養學生的創新思維，應用和實踐能力，強化團隊意識和協作能力有很大幫助作[1]。比賽中對模型進行設計優化，讓結構受力最優，能體現參賽者的工程技術程度和智慧[2]。文章以2019年第十三屆全國大學生結構設計競賽為背景，從材料特征、結構選型等方面，闡述了竹質結構模型設計優化的相關步驟和方法，并利用MIDAS分析軟件對大賽模型優化選型提供有效思路。

1、賽題簡介

1.1模型概述

要求設計并制作一個山地輸電塔模型（以下簡稱“模型”），通過螺釘將模柱支腿固定在400 mm×400 mm×15 mm（長×寬×厚）的竹模上，模型的底面固定在薄模中心250 mm×250 mm正方形的正方形中，如圖1a所示，底板中心點為 o點。“高懸掛點”也可用作“水平加載點”低懸掛點應該是模具最遠的外伸（懸要設計和制造山地輸電塔模型），必須在模型上安裝兩個“低懸掛點”和一個“高懸掛點”臂）點，間隔薄模表面的高度應該在1000 mm～1100 mm的范圍內。底部表面上兩個低懸點的投影應分別位于低懸掛突出部分，如圖1a所示，分別位于上部和下部扇形環的陰影區域；底部懸掛點的高度應在1200mm～1400mm范圍內，薄模表面的投影距離o不應大于350mm，高懸掛點應為模型的最高點。模型低懸掛點和高懸掛點（和水平加載點）的垂直位置如圖1b所示。

1.2加載概述

荷載施加分三級，一、二級加載均為掛線荷載，分別在指定導線的加載盤上碼放砝碼，三級加載是通過側向加載指導線施加側向水平荷載。

1.3 材料物理力學性能

（1）竹材 結構模型競賽常用的竹材為竹皮和竹桿件，是專為制作結構模型而研發的材料，常常被用于各級結構模型競賽中[3.4]。

（2）502膠水 在用竹皮竹條制作結構模型時，會用到502膠水粘結材料。502膠水是一種合成的單組份瞬間固化粘合劑，具有價格便宜、便于操作、粘結強度高、粘結時間短等特點；但502膠水具有一定的毒性，固化以后毒性降低，因此學生在用502膠水制作結構模型時要做好防護工作。在制作模型時，有參賽者會用竹皮蘸502膠水的方法來提高竹皮的抗拉強度，本文不考慮竹皮蘸過502膠水后的密度和抗拉強度的變化。在實際模型制作過程中，操作者應控制好502膠的流出量和均勻程度，以增大接觸面積和提高粘結強度。[5]

（3）濕度、線膨脹系數 竹皮抗拉強度受空氣濕度影響較小，加之結構設計大賽均在室內進行，故不考慮濕度影響。另外，此模型亦不考慮溫度影響[6]。

2、山地輸電塔模型有限元模型

2.1計算模型簡化

本文采用MIDAS GEN軟件建立典型模型，本文并不針對某個作品進行分析，僅是建立具代表性的拱橋模型，并通過改變有關參數，得出各級載荷條件下山地輸電塔模型的受力影響。其結論在一定的適用范圍，對工程設計具有一定的參考價值。

圖2 山地輸電塔有限元模型

2.2邊界條件

模型柱腳用自螺絲釘牢固于長×寬×厚為400mm×400mm×15mm的竹底上，模型底面長度限定在底板中心邊長為250mm的正方向區域內。邊界條件設置為固接。

3、加載及結果分析

3.1分級加載

根據比賽規則，本文選取低掛點1（節點19），在其上掛砝碼6.0kg，即一級加載；一級荷載保持，分別在低掛點2（節點18）及高掛點（節點9）上掛砝碼12kg施加二級荷載，一、二級荷載保持，在模型“水平加載點”通過“砝碼+引導繩”的方法施三級加側向水平荷載，荷載大小取4kg。

依次施加各級靜力荷載類型：空載（自重）、一級加載（自重+第一級荷載）、二級加載（自重+第一級荷載+第二級荷載）、三級加載（自重+第一級荷載+第二級荷載+第三級荷載），利用MIDAS結果分析梁構件受力情況（如圖3）。

3.2結果分析

對比可知在整個加載過程中，塔身部位相應受力、應變較小；高掛點在整個加載過程中受力和形變變化不大，尤其在三級加載過程中，高掛點依舊能夠保持相當的強度、剛度與穩定性；低掛點1（節點19）涉及梁單元33、34、35、36在一級加載情況下受力及形變較大，低掛點12（節點18）涉及梁單元37、38、39、40在二級加載及三級加載情況下受力及形變顯著，尤其在三級加載情況下尤為明顯。該結論表明模型構建過程中低掛點1、2所連接梁單元應采用剛度較大桿件，模型桿件尺寸選擇時可選用如圓柱狀或圓筒狀加固。

4、結論

（1）結構設計模型源于工程實際，結構優化設計應結合工程實際，隨著賽題與實際結合越來越緊密，需要對模型進行有效簡化，以抓住主要矛盾進行分析；

（2）通過對實際復雜模型的簡化，在滿足大賽命題的要求下，進行有限元仿真模擬，以提高分析程度和設計質量，同時有針對性的開展模型制作，加快建造模型速度，節省相關材料。

參考文獻

[1]徐龍軍，李洋，許昊. 全國大學生結構設計競賽賽題分析及建議[J]. 高等建筑教育，2012，21（3）：148-150

[2]暴偉，朱珊，胡忠君. 從大學生結構設計競賽看創新平臺建設與人才培養[J]. 吉林省教育學院學報，2015，31（9）：17-19.

[3]付善春，尹祖興，楊倩文，等. 竹材構件材料力學性能及承載力研究[J]. 河南工程學院學報（自然科學版），2017（4）：49-52.

[4]項昌軍，陳躍，童晨希，等. 竹材大跨度屋蓋結構模型設計及理論分析[J]. 寧波工程學院學報，2017，29（4）：32-37.

[5]李雋逸，劉志威. 大學生結構設計競賽之竹材橋梁結構分析[J]. 現代商貿工業，2018（7）：195-196.

[6]曾德軍. 竹材結構墻體熱特性實驗研究[D]. 湖南大學，2011.

（作者單位：武漢生物工程學院 建筑工程學院）