一种基于ANSYS的悬挂式母线自振频率的计算方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS的悬挂式母线自振频率的计算方法，它将悬挂式母线以及悬挂式绝缘子在水平方向上等效为弹性支持的梁；在ANSYS系统中对母线以及悬挂式绝缘子进行二维建模，获得悬挂式母线振动系统模型并进行自动网格剖分；设置位移约束，将悬挂式绝缘子远母线端位移约束为0；进行悬挂式母线自振频率仿真，获得不同绝缘子支持刚度下的母线自振频率。本发明解决传统工程计算中母线自振频率计算公式是基于绝缘子刚性支持，而对水平方向刚度很差的悬挂式母线没有准确计算方法的问题，相较传统计算方法而言，本发明提高了计算的准确度，适用于悬挂式母线自振频率的仿真。

说明书

技术领域

本发明涉及一种母线自振频率的计算方法，尤其涉及一种基于ANSYS的悬挂式母线自振频率的计算方法。

背景技术

母线是电力系统中重要的电气设备，起着汇集、分配电能的重要作用。在进行母线动稳定校验以及设计微风振动消振器时，都需要对母线的自振频率进行计算，计算结果的准确性直接影响到了母线设备运行的安全稳定性。母线根据支持方式不同可分为支持式母线和悬挂式母线，目前悬挂式母线一般只应用在地震烈度等级较高的地区，相对使用较少，因此传统母线自振频率计算中只利用刚性支持梁理论对支持式母线绝缘子刚支的情况进行了规定。

悬挂式母线由于其特殊的支持方式，导致悬挂式绝缘子在水平方向上刚度非常差，不能采用传统的刚性支持梁理论计算方法计算，目前还没有规程及设计手册针对悬挂式母线的自振频率计算方法进行研究，若继续采用传统方法，势必会造成计算结果不准确，可能会造成安全问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种能提高计算准确度的基于ANSYS的悬挂式母线自振频率的计算方法。。

本发明所采用的技术方案为：一种基于ANSYS的悬挂式母线自振频率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将悬挂式母线及悬挂式绝缘子在水平方向上等效为弹性支持的梁；

步骤二：在ANSYS系统中对悬挂式母线以及悬挂式绝缘子进行二维建模，获得悬挂式母线振动系统模型并进行自动网格剖分；

步骤三：设置位移约束，将悬挂式绝缘子远母线端位移约束为0；

步骤四：进行悬挂式母线自振频率仿真，获得不同悬挂式绝缘子支持刚度下的母线自振频率。

按上述技术方案，步骤一中将悬挂式绝缘子在水平方向上等效为无质量、有刚度的弹簧支座，悬挂式母线等效为均质等截面梁。

按上述技术方案，在步骤二进行二维建模的过程中，定义beam3单元作为悬挂式母线的仿真单元，定义combin14单元作为悬挂式绝缘子等效的弹簧支座单元，并定义悬挂式母线材料的弹性模量、泊松比、密度、梁高、惯性矩、截面积以及弹簧单元的刚度，其中弹簧单元的刚度的计算公式如下：

$c=\frac{EJ}{l^3}\beta$

式中，E表示母线材料的弹性模量，J表示母线截面惯性矩，l表示母线长度，β表示悬挂式绝缘子的弹簧刚度因子与母线弹簧刚度因子之比。

按上述技术方案，步骤四中仿真使用ANSYS中模态仿真分析工具，选用Block Lanczos法求解悬挂式母线固有振动频率

本发明所取得的有益效果为：本发明解决传统工程计算中母线自振频率计算公式是基于绝缘子刚性支持，而对水平方向刚度很差的悬挂式母线没有准确计算方法的问题，相较传统计算方法而言，本发明提高了计算的准确度，适用于悬挂式母线自振频率的仿真。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于ANSYS的悬挂式母线自振频率计算方法的流程图。

图2是悬挂式母线及悬挂式绝缘子水平方向等效二维模型图。

图3是使用ANSYS建立的悬挂式母线及悬挂式绝缘子单元划分结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1所示，其为基于ANSYS的悬挂式母线自振频率计算方法的流程图，该方法依次包括以下几个步骤：

步骤一：将悬挂式绝缘子在水平方向上等效为无质量、有刚度的弹簧支座，悬挂式母线等效为均质等截面梁；

步骤二：在ANSYS系统中对悬挂式母线以及悬挂式绝缘子进行二维建模，在二维建模过程中，定义beam3单元作为悬挂式母线的仿真单元，定义combin14单元作为悬挂式绝缘子等效的弹簧支座单元，并定义悬挂式母线材料的弹性模量、泊松比、密度、梁高、惯性矩、截面积以及弹簧单元的刚度，其中刚度的计算公式如下：

$c=\frac{EJ}{l^3}\beta$

式中，E表示母线材料的弹性模量，J表示母线截面惯性矩，l表示母线长度，β表示悬挂式绝缘子的弹簧刚度因子与母线弹簧刚度因子之比；

从而获得悬挂式母线振动系统模型并进行自动网格剖分；

步骤三：设置位移约束，将悬挂式绝缘子远母线端位移约束为0；

步骤四：使用ANSYS中模态仿真分析工具进行悬挂式母线自振频率仿真，选用Block Lanczos法求解母线固有振动频率，获得不同绝缘子支持刚度下的母线自振频率。

具体实施例：

步骤一：悬挂式母线跨距20m，型号为6063GΦ200/184，悬挂式绝缘子水平方向长度为1.5m，将悬挂式母线及悬挂式绝缘子振动系统等效为如图2所示的弹性支持的梁；

步骤二：定义悬挂式母线单元为二维梁单元beam3，根据母线材料及截面形状，定义母线单元弹性模量EX为6.9e10pa，泊松比PRXY为0.27，密度为2688kg/m³，梁截面面积为4.823e-3m²，截面惯性矩为2.22e-5m⁴，梁高为0.2m，定义悬挂式绝缘子为combin14单元，根据下式计算该单元的弹簧单位的刚度为：

$c=\frac{EJ}{l^3}\beta$

式中E表示母线材料的弹性模量，J表示母线截面惯性矩，l表示母线长度，β表示悬挂式绝缘子的弹簧刚度因子与母线弹簧刚度因子之比，取β为1模拟悬挂式母线水平方向上柔性支持的情况，单元定义及模型搭建完毕之后，在ANSYS中对该模型自动进行网格划分，单元划分结果如图3所示；

步骤三：定义图3中A、B、C、D点位移约束UX、UY、ROTZ为0；

步骤四：在ANSYS中建立新的Modal分析，求解法选择Block Lanczos法，然后求得悬挂式母线各阶自振频率。

为了说明对于悬挂式母线自振频率计算相较传统计算方法更为准确，现将传统计算方法以及柔性支持梁自振频率计算步骤简述如下：

传统母线自振频率计算方法：

步骤一：得到母线跨距l，母线材料的弹性模量E，母线截面惯性矩J，母线单位长度质量q；

步骤二：根据下式得到母线第i阶自振频率：

$f_i=\frac{i\pi }{2l^2}\sqrt{\frac{EJ}{q}}$

而悬挂式母线绝缘子水平方向上支持方式更倾向于柔性支持，柔性支持梁自振频率计算方法如下：

步骤一：对于一阶和二阶自振频率，采用如下公式进行计算：

$f_1=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{C_T}{M}}$

$f_2=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{C_R}{J_{\rho }}}$

式中，C_T＝2C，C为单个支撑梁的刚度，M为梁的质量，C_R＝Cl²/2为支承对于梁绕质心摆动的相当刚度，J_ρ＝Ml²/12为母线对重心的转动惯量；

步骤二：根据下式得到3阶及以上阶次自振频率：

$f_i=\frac{{a_i}^2}{2{\mathrm{\pi l}}^2}\sqrt{\frac{EJ}{q}}$

式中a_i²是与阶次有关的量。

利用三种方法分别对跨距为20m，型号为6063GΦ200/184的悬挂式母线前三阶进行自振频率计算(悬挂式母线与悬挂式绝缘子刚度比为1)，得到结果如表1所示：

表1

由上表可以看到，如果以柔性支持梁理论计算方法作为比较依据，本发明提出的方法更适合悬挂式母线自振频率的计算，准确度更高。