考虑扭转耦合的输电线舞动的数值仿真分析

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随着电力行业的迅速发展,输电线系统已成为其中一个不可或缺的重要组成部分。线路的增加使得越来越多的线路需要翻山跨河,而输电线路中的导线舞动问题是一个既复杂紧迫又深具社会经济意义的国内外攻关课题。导线舞动是一种发散型的振动,振幅大且持续时间长,舞动易造成电弧烧伤、金具损坏、断股、断线、杆塔损害、倒塔、防震锤或间隔棒损坏等电力事故,会造成重大的经济损失。  本文主要从集总参数模型着手,采用数值方法分别对三种动力学模型进行了仿真分析:  (1)采用精确风速表达式建立了的横向振动(只有垂向振动的SDOF)的舞动模型(Duffing方程)。对舞动方程进行定性及定量分析,定性分析了解的稳定性及极限环的存在性。采用谐波平衡法和平均法两种解析法对Duffing方程进行定量分析,讨论零解稳定性的条件及其参数对舞动振幅的影响。基于精确风速下的舞动模型求得临界风速和振幅的表达式,获得风速对舞动振幅的影响曲线。给出了不同风速时的时间历程图、相图、频谱图及庞加莱映射图,发现发生舞动时横向振动只有一种频率成分,相图的拓扑结构不会发生改变。  (2)采用数值方法分析扭转与垂向耦合振动的舞动模型。采用四阶龙哥库塔法分析了风速、覆冰厚度、来流密度、导线单位长度质量、初始张力、阻尼比等参数对舞动振幅的影响。利用庞加莱映射截面得到了扭转振动随风速及初始覆冰角度变化的分岔图。傅里叶变换后得到了不同风速及不同初始覆冰角度时的时间历程图、相图及频谱图。发现随着参数变化系统存在典型的非线性现象,周期解出现分岔现象,相图的拓扑结构突变,频率变得复杂起来,存在多种频率成分。  (3)基于垂向、水平与扭转耦合振动的三自由度模型,采用四阶龙哥库塔法进行数值仿真,获得了风速、覆冰厚度、来流密度、导线单位长度质量、初始张力、阻尼比等参数对舞动振幅的影响。分析了几种典型风速时的时间历程图、相图及频谱图。发现随着参数变化三自由度系统也存在典型的非线性现象,与二自由度一样,垂向振动时的相图是稳定的极限环,拓扑结构无突变。而水平和扭转时的周期解会出现分岔现象,相图的拓扑结构发生变化。
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