變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

劉建秋，商文念，趙海濤，魏珍中，李林

(1.山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟(jì)南 250199；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

大型變電構(gòu)架節(jié)點(diǎn)型式多樣、受力狀況復(fù)雜、荷載組合繁多，通常一個(gè)構(gòu)架的設(shè)計(jì)涉及數(shù)百個(gè)工況的組合和校核。變電構(gòu)架為空間三維結(jié)構(gòu)體系，但為便于計(jì)算，設(shè)計(jì)規(guī)范中將其簡化為空間桿系結(jié)構(gòu)[1]，多數(shù)的有限元仿真計(jì)算分析也是同樣簡化[2]。處于桿系結(jié)構(gòu)交匯處的構(gòu)架節(jié)點(diǎn)，被視為一個(gè)整體，借助桿端內(nèi)力進(jìn)行分析，從而無法精確分析復(fù)雜構(gòu)架節(jié)點(diǎn)中各部件的受力狀態(tài)[3-4]。因此，目前對于構(gòu)架節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各組成構(gòu)件的設(shè)計(jì)多依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，板材和螺栓選型缺乏計(jì)算依據(jù)，為保證結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)大多過于保守。

然而，由于構(gòu)架節(jié)點(diǎn)構(gòu)成復(fù)雜、組成部件較多，工程設(shè)計(jì)人員若是對每個(gè)構(gòu)架節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行三維有限元建模和仿真分析，則工程量非常大。此外，網(wǎng)格劃分精度和計(jì)算分析過程的求解設(shè)置，也對一般設(shè)計(jì)人員造成較大困擾。因此，針對構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的主要特征，對典型型式的構(gòu)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化、可視化有限元建模和仿真分析系統(tǒng)的開發(fā)，將大大縮短設(shè)計(jì)人員的計(jì)算分析周期，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法與步驟

變電構(gòu)架節(jié)點(diǎn)雖然型式多樣，但是在設(shè)計(jì)過程中，同一種型式的構(gòu)架其節(jié)點(diǎn)通常為2～3種，如終端構(gòu)架、中間構(gòu)架或轉(zhuǎn)角構(gòu)架，并且這些構(gòu)架節(jié)點(diǎn)的組成形式和部件構(gòu)成通常是固定的。因此，對于常用的構(gòu)架節(jié)點(diǎn)型式，將其幾何尺寸、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分和后處理等進(jìn)行特征提取并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以較大程度地提高設(shè)計(jì)效率。

常見的參數(shù)化方法主要有4種：代數(shù)方法、人工智能方法、直接操作法和語言描述法[10]。各種參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法由于目的與環(huán)境各異，其功能也各有側(cè)重或不同。由于語言描述法使模型修改簡單易行，對于非尺寸鏈上的元素可不必設(shè)置參數(shù)名，用戶不必?fù)?dān)心其是否準(zhǔn)確設(shè)置，程序能根據(jù)用戶定義的約束條件，自動(dòng)求出物體的精確模型。因此，本文變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的建模系統(tǒng)采用ANSYS中APDL及UIDL的語言描述法。具體步驟如下：

(1)提取特征參數(shù)。分析工程圖紙，根據(jù)模型的幾何結(jié)構(gòu)、形狀特征抽象提取描述模型的特征參數(shù)，并根據(jù)模型特點(diǎn)在保證精度的前提下適當(dāng)簡化。分析模型的定形和定位尺寸，研究幾何尺寸鏈，定義幾何尺寸參量。

(2)定義參數(shù)值。定義必須的幾何尺寸參數(shù)，可以賦予相應(yīng)的常用值。

(3)創(chuàng)建幾何模型。采用參數(shù)變量名作為幾何尺寸輸入，同時(shí)采用輸入指定編號的方法來進(jìn)行幾何對象的創(chuàng)建，并命名好組件，再利用組件進(jìn)行操作處理，如布爾操作、鏡像等。

(4)賦予材料屬性。定義每個(gè)部件的材料屬性參數(shù)變量名，根據(jù)工程實(shí)際采用的材料賦予相應(yīng)的材料參數(shù)值，使得任一構(gòu)件的材料屬性根據(jù)實(shí)際工程情況而確定。

(5)單元網(wǎng)格劃分。根據(jù)幾何拓?fù)涮卣鲃澐帜Ｐ蛦卧W(wǎng)格，對于簡單模型采用映射四邊形網(wǎng)格或者掃描單元網(wǎng)格，此類網(wǎng)格規(guī)則單元形狀容易控制，精度也較高；對于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的構(gòu)件，優(yōu)先考慮映射網(wǎng)格劃分，當(dāng)映射要求不滿足時(shí)則自動(dòng)轉(zhuǎn)為自由網(wǎng)格劃分。為網(wǎng)格調(diào)整的整體協(xié)調(diào)與統(tǒng)一設(shè)置，本系統(tǒng)開發(fā)中設(shè)置了網(wǎng)格尺寸控制的主參數(shù)，基余各構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸參數(shù)均為該主參數(shù)的函數(shù)，在構(gòu)件尺寸無較大幅度變化的情況下，僅調(diào)整尺寸控制主參數(shù)，就能對各構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)局部構(gòu)件尺寸變化較大的情況下，可以通過調(diào)整局部網(wǎng)格尺寸或改變該尺寸與主參數(shù)函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到良好的適應(yīng)性，既保證計(jì)算精度又能提高計(jì)算效率。

2 用戶界面設(shè)計(jì)

UIDL是改造和編制ANSYS圖形界面的專用語言，允許用戶對ANSYS軟件圖形界面組項(xiàng)進(jìn)行添加或修改，提供各類命令的輸入?yún)?shù)接口，支持控制開關(guān)選項(xiàng)[11]。用戶利用UIDL可以定制滿足自身需求的新的GUI界面，完成主菜單、對話框和幫助系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，使有限元分析更加直接明了[12]。

2.1 UIDL的構(gòu)成

UIDL語言的菜單和標(biāo)準(zhǔn)對話框由控制文件建立，控制文件通常是由一個(gè)控制文件頭和若干個(gè)構(gòu)造塊組成，每個(gè)構(gòu)造塊對應(yīng)一個(gè)GUI 元件[13]。

2.1.1 控制文件頭

控制文件頭位于.GRN文件的頭部，描述了控制文件的重要信息，如文件名，文件的說明以及GUI的位置信息等，必須以冒號(:)開頭。控制文件頭頭部代碼如下，詳細(xì)說明見表1。

:F UIMENU.GRN

:D Modified on %E%, Revision (SID) = %I%

:I 0, 0, 0

:!

表1 控制文件頭命令

2.1.2 構(gòu)造塊結(jié)構(gòu)

構(gòu)造塊內(nèi)容是UIDL控制文件的核心，按照不同的功能類型可劃分為菜單構(gòu)造塊、命令構(gòu)造塊和幫助構(gòu)造塊。構(gòu)造塊主要由構(gòu)造塊頭、數(shù)據(jù)控制和構(gòu)造塊尾3部分組成。

(1)構(gòu)造塊頭部分

構(gòu)造塊頭通常由N、S、T、A、C、D等構(gòu)成，詳細(xì)說明見表2。

(2)數(shù)據(jù)控制部分

數(shù)據(jù)控制部分構(gòu)成了菜單的主要內(nèi)容和格式，至少需要一行信息，不同的結(jié)構(gòu)塊有不同的語法[11]。

(3)構(gòu)造塊尾部分

構(gòu)造塊尾部均以單獨(dú)一行“:E END”，標(biāo)志著構(gòu)造塊的結(jié)束。此外，在構(gòu)造塊尾部下一行通常用“:!”將各個(gè)構(gòu)造塊隔開。

表2 構(gòu)造塊頭構(gòu)成的說明

2.1.3 應(yīng)用實(shí)例

本例通過變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng)的主界面來介紹UIDL的應(yīng)用，在UIMENU.GRN文件中修改ANSYS的主菜單。具體代碼和說明如下：

:F UIMENU.GRN !建立名為UIMENU.GRN的控制文件

:D Modified on %E%, Revision (SID) = %I%

:I 0, 0, 0 !0位于第9、18和27列

:! !分隔符，分隔控制文件頭和構(gòu)造塊

:N Men_MyJoint !定義構(gòu)造塊名字

:S 0, 0, 0 !0位于第9、18和27列

:T Menu !闡述該構(gòu)造塊類型為菜單構(gòu)造塊

:A變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng) !定義出現(xiàn)在子菜單中的名稱

:D變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng) !構(gòu)造塊信息描述

Men_Welcome !調(diào)用歡迎菜單

Men_MyJointModel !調(diào)用建模子系統(tǒng)菜單

Men_MyJointCalac !調(diào)用計(jì)算子系統(tǒng)菜單

Men_MyPost1 !調(diào)用后處理子系統(tǒng)菜單

:E END !構(gòu)造塊尾部分

:! !分隔標(biāo)記

2.2 用戶界面設(shè)計(jì)步驟

用戶界面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一是核心計(jì)算模塊APDL語言的輸入與輸出參數(shù)，及其功能的實(shí)現(xiàn)；二是正確編制UIDL語言的控制文件。在此基礎(chǔ)上，按照下面的步驟和方法可順利實(shí)現(xiàn)適用于變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的ANSYS菜單界面的二次開發(fā)。

步驟1：建工作目錄E:2ND，將C:ProgramFilesANSYS Incv120ansysguien-usUIDL文件夾內(nèi)的menulist120.ans、UIMENU.GRN、UIFUNC1.GRN和UIFUNC2.GRN四個(gè)文件復(fù)制到工作目錄下，并編輯menulist120.ans文件內(nèi)的工作路徑到該工作目錄，用戶每次啟動(dòng)ANSYS都要進(jìn)入該目錄作為工作路徑，內(nèi)容如下。

E:2NDUIMENU.GRN

E:2NDUIFUNC1.GRN

E:2NDUIFUNC2.GRN

步驟2：根據(jù)基于APDL語言的分析過程，從菜單結(jié)構(gòu)、功能函數(shù)設(shè)置以及各對話框、拾取框的布局，變量的輸入輸出形式等方面總體規(guī)劃圖形界面的設(shè)計(jì)。

步驟3：啟動(dòng)ANSYS查看用戶定義的菜單是否按設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)在ANSYS菜單中，若ANSYS無法正常啟動(dòng)，或菜單出現(xiàn)的界面與預(yù)期不符，則應(yīng)調(diào)試控制文件中的程序，確保程序語言正確和準(zhǔn)確。

步驟4：調(diào)試完成后再重復(fù)步驟3，直至界面設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果。

步驟5：基于APDL語言，將用戶界面上需要體現(xiàn)出的各種功能(如建模、計(jì)算和輸出等環(huán)節(jié))，編制入ANSYS核心計(jì)算的宏文件。

2.3 系統(tǒng)的組成

開發(fā)的變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng)主要由歡迎界面、建模子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)及后處理子系統(tǒng)4部分組成，主菜單如圖1所示。

圖1 變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)主菜單Fig.1 Main menu of simulationanalysis system for complex joint of structural gantry of switchyard

2.3.1 歡迎界面

歡迎界面主要是對系統(tǒng)的簡要介紹，同時(shí)提供本系統(tǒng)兩種建模方式的選擇，一種是直接讀入APDL文件，適用于對ANSYS有限元分析比較熟悉的設(shè)計(jì)人員；另一種是通過系統(tǒng)中的GUI界面按步驟建模，易操作。

2.3.2 建模子系統(tǒng)

圖2 建模子系統(tǒng)菜單Fig.2 Menu of modeling sub-system

建模子系統(tǒng)菜單如圖2所示，包含材料參數(shù)、構(gòu)架整體模型、節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)建模、節(jié)點(diǎn)分網(wǎng)和網(wǎng)格生成5個(gè)部分。

材料參數(shù)可通過選擇鋼號自動(dòng)賦值，或手動(dòng)輸入。在節(jié)點(diǎn)類型選項(xiàng)中，可以選擇220 kV T-1等5種典型構(gòu)架節(jié)點(diǎn)型式，進(jìn)行各組件幾何參數(shù)的輸入。

設(shè)計(jì)人員只需將上述參數(shù)輸入完成并確認(rèn)后，即可生成節(jié)點(diǎn)的幾何模型。然后通過節(jié)點(diǎn)分網(wǎng)對話框輸入剖分信息，手動(dòng)指定網(wǎng)格尺寸是指直接輸入構(gòu)件幾何邊長剖分份數(shù)；智能網(wǎng)格剖分控制參數(shù)以網(wǎng)格控制主參數(shù)為基準(zhǔn)的尺寸系數(shù)，數(shù)值越大，單元尺寸越大，網(wǎng)格越疏。設(shè)置好網(wǎng)格尺寸后，賦予構(gòu)架節(jié)點(diǎn)處組件單元類型與材料參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終完成有限元模型的建立。

2.3.3 計(jì)算子系統(tǒng)

變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析系統(tǒng)的計(jì)算子系統(tǒng)包括分析類型、非線性選項(xiàng)、結(jié)果輸出控制、加載過程、施加位移約束、計(jì)算運(yùn)算和讀入計(jì)算命令流等七部分。

分析類型中目前設(shè)置靜力分析選項(xiàng)。變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析涉及的分析重點(diǎn)是法蘭盤相互間的接觸非線性分析。非線性選項(xiàng)主要包括大變形開關(guān)、求解器和算法的設(shè)置、自適應(yīng)控制選項(xiàng)、收斂準(zhǔn)則的定義和平衡迭代次數(shù)的定義。由于接觸問題通常不易收斂，計(jì)算分析中需要在荷載步中適時(shí)修改剛度矩陣，故通常會選用自適應(yīng)控制選項(xiàng)。求解器的選擇一般需要根據(jù)模型的單元自由度的數(shù)量來選擇。ANSYS中提供多種收斂準(zhǔn)則，可供計(jì)算選擇。

2.3.4 后處理子系統(tǒng)

后處理子系統(tǒng)用以查看并輸出模型的計(jì)算結(jié)果，包含各個(gè)荷載步下的結(jié)果數(shù)據(jù)，可以通過等值線、云圖及動(dòng)畫演示的形式展示，方便直觀地查看模型計(jì)算結(jié)果。

3 仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 工程概況

某220 kV變電站屋外構(gòu)架節(jié)點(diǎn)，其上下柱通過法蘭與構(gòu)架中心節(jié)點(diǎn)組件相連，下柱為兩根分叉的鋼管，形成人字形柱。人字形柱在平面外采用法蘭的形式與正十二邊形的鋼管梁相連。

3.2 原型試驗(yàn)及分析

圖3 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental modelfor joint of structural gantry of switchyard

在模型應(yīng)力復(fù)雜的部位粘貼應(yīng)變片，通過液壓千斤頂對加載點(diǎn)施加荷載，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集各工況下應(yīng)變值，獲得構(gòu)架節(jié)點(diǎn)變形情況。

3.3 有限元仿真

圖4 構(gòu)架節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Finite elementmesh model for joint of structural gantry of switchyard

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎脜?shù)化建模，并劃分網(wǎng)格，建立了有限元網(wǎng)格模型(見圖4)，梁柱采用Shell181殼單元，單元總數(shù)11 261，節(jié)點(diǎn)總數(shù)10 504。鋼材根據(jù)部件不同分別為Q345B和Q345C管材或板材，采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度345.0 MPa。模型底部采取固定約束。為避免加載端應(yīng)力集中和真實(shí)反應(yīng)試驗(yàn)加載墊塊的作用，在加載墊塊區(qū)域內(nèi)施加均布荷載的方式模擬千斤頂加載。采用靜力分析進(jìn)行求解計(jì)算。

3.4 結(jié)果對比分析

為便于分析比較，本次驗(yàn)證采取單點(diǎn)加載工況，即在上柱頂部垂直于梁的長度方向施加水平荷載F(如圖4所示)，大小為54.85 kN。

取上柱與節(jié)點(diǎn)相連處法蘭下部的加勁板處(圖4矩形框內(nèi))的應(yīng)變測試值為分析對象。圖5是上柱加勁板應(yīng)變片的布置圖，測點(diǎn)AS89位于受拉側(cè)，測點(diǎn)AS97位于受壓側(cè)。

在上柱單點(diǎn)水平荷載作用下，上柱加勁板應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果對比見圖6。從圖中總體趨勢可知，從AS89號測點(diǎn)至AS93號測點(diǎn)拉應(yīng)變逐漸減小至0，從AS93號測點(diǎn)至AS97號測點(diǎn)壓應(yīng)變逐漸增大至最大值，并且與另一側(cè)應(yīng)變值相對稱，可見試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果定性上均符合材料力學(xué)原理。

圖5 上柱加勁板應(yīng)變測點(diǎn)分布圖Fig.5 Location of test points for strain on stiffenedplate of upper column

圖6 上柱加勁板各測點(diǎn)應(yīng)變試驗(yàn)值與計(jì)算值Fig.6 Experiment results and calculation value of strain on stiffened plate of upper column

從試驗(yàn)結(jié)果的定量分析來看，試驗(yàn)測得AS89號測點(diǎn)處拉應(yīng)變最大值為156.0微應(yīng)變，AS97號測點(diǎn)處壓應(yīng)變最大為-179.0微應(yīng)變，二者基本符合拉壓對稱規(guī)律；中和軸處的AS101號測點(diǎn)和AS93號測點(diǎn)微應(yīng)變分別為-10.0和3.0，接近于理論值0。這是由于模型制作的微小偏差、加載時(shí)加載點(diǎn)的不完全精確對正等因素，產(chǎn)生實(shí)測應(yīng)變值有所偏差。從計(jì)算結(jié)果的定量分析來看，最大拉應(yīng)變AS89號測點(diǎn)處和最大壓應(yīng)變AS97號測點(diǎn)處應(yīng)變值分別為133.78和-137.56微應(yīng)變，對稱性較好；中和軸處的AS101號測點(diǎn)和AS93號測點(diǎn)微應(yīng)變分別為0.01和0.98，相較試驗(yàn)值更接近于理論值0。這是由于有限元計(jì)算模型建模為理想模型，幾何尺寸上嚴(yán)格對稱、加載點(diǎn)能確保對中、材料參數(shù)完全一致，因而與理論值有較好吻合。

試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較見圖7，兩者數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.936，可以認(rèn)為在單點(diǎn)加載工況下兩者結(jié)果是基本吻合的。

圖7 計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較分析Fig.7 Comparison between calculation value and experiment data

4 結(jié)語

本文采用ANSYS二次開發(fā)中的參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語言APDL和用戶界面設(shè)計(jì)語言UIDL，開發(fā)了變電構(gòu)架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真分析專用系統(tǒng)。基于參數(shù)化建模和友好的用戶交互界面，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架節(jié)點(diǎn)各組成部件精細(xì)化受力分析，彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)板材和螺栓選型依據(jù)的不足，提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。同時(shí)開展了構(gòu)架節(jié)點(diǎn)原型試驗(yàn)研究，對該仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與應(yīng)用研究。

本文重點(diǎn)研究了構(gòu)架節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化建模與分析，然而節(jié)點(diǎn)僅是構(gòu)架的組成部分之一。目前變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)時(shí)受力分析常采用STAAD軟件，但該軟件未能對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)建模和分析。因此，基于子模型概念，后續(xù)進(jìn)一步將STAAD整體模型與本文構(gòu)架節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有效銜接，從而可以更加全面地進(jìn)行變電站構(gòu)架及其節(jié)點(diǎn)受力分析和設(shè)計(jì)，為提高變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)水平提供技術(shù)支撐。