山地输电塔模型计算机仿真分析

赵雄辉 马云飞 陶杰

摘要：本文针对2019年第十三届全国大学生结构设计比赛中山地输电塔结构模型设计与制作。将计算机仿真分析引入结构设计竞赛，有助于提高结构设计竞赛的分析和设计水平，对推动相关专业本科教学具有一定的指导意义。

关键词：仿真分析；约束条件；结构大赛；结构优化

结构设计比赛已被列为全国大学生科技创新赛事之一。该赛事主要针对工程及相关专业的在校大学生，非常具有创造性和挑战性，巩固和提高学生的专业知识，培养学生的创新思维，应用和实践能力，强化团队意识和协作能力有很大帮助作[1]。比赛中对模型进行设计优化，让结构受力最优，能体现参赛者的工程技术程度和智慧[2]。文章以2019年第十三届全国大学生结构设计竞赛为背景，从材料特征、结构选型等方面，阐述了竹质结构模型设计优化的相关步骤和方法，并利用MIDAS分析软件对大赛模型优化选型提供有效思路。

1、赛题简介

1.1模型概述

要求设计并制作一个山地输电塔模型（以下简称“模型”），通过螺钉将模柱支腿固定在400 mm×400 mm×15 mm（长×宽×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，如图1a所示，底板中心点为 o点。“高悬挂点”也可用作“水平加载点”低悬挂点应该是模具最远的外伸（悬要设计和制造山地输电塔模型），必须在模型上安装两个“低悬挂点”和一个“高悬挂点”臂）点，间隔薄模表面的高度应该在1000 mm～1100 mm的范围内。底部表面上两个低悬点的投影应分别位于低悬挂突出部分，如图1a所示，分别位于上部和下部扇形环的阴影区域；底部悬挂点的高度应在1200mm～1400mm范围内，薄模表面的投影距离o不应大于350mm，高悬挂点应为模型的最高点。模型低悬挂点和高悬挂点（和水平加载点）的垂直位置如图1b所示。

1.2加载概述

荷载施加分三级，一、二级加载均为挂线荷载，分别在指定导线的加载盘上码放砝码，三级加载是通过侧向加载指导线施加侧向水平荷载。

1.3 材料物理力学性能

（1）竹材 结构模型竞赛常用的竹材为竹皮和竹杆件，是专为制作结构模型而研发的材料，常常被用于各级结构模型竞赛中[3.4]。

（2）502胶水 在用竹皮竹条制作结构模型时，会用到502胶水粘结材料。502胶水是一种合成的单组份瞬间固化粘合剂，具有价格便宜、便于操作、粘结强度高、粘结时间短等特点；但502胶水具有一定的毒性，固化以后毒性降低，因此学生在用502胶水制作结构模型时要做好防护工作。在制作模型时，有参赛者会用竹皮蘸502胶水的方法来提高竹皮的抗拉强度，本文不考虑竹皮蘸过502胶水后的密度和抗拉强度的变化。在实际模型制作过程中，操作者应控制好502胶的流出量和均匀程度，以增大接触面积和提高粘结强度。[5]

（3）湿度、线膨胀系数 竹皮抗拉强度受空气湿度影响较小，加之结构设计大赛均在室内进行，故不考虑湿度影响。另外，此模型亦不考虑温度影响[6]。

2、山地输电塔模型有限元模型

2.1计算模型简化

本文采用MIDAS GEN软件建立典型模型，本文并不针对某个作品进行分析，仅是建立具代表性的拱桥模型，并通过改变有关参数，得出各级载荷条件下山地输电塔模型的受力影响。其结论在一定的适用范围，对工程设计具有一定的参考价值。

图2 山地输电塔有限元模型

2.2边界条件

模型柱脚用自螺丝钉牢固于长×宽×厚为400mm×400mm×15mm的竹底上，模型底面长度限定在底板中心边长为250mm的正方向区域内。边界条件设置为固接。

3、加载及结果分析

3.1分级加载

根据比赛规则，本文选取低挂点1（节点19），在其上挂砝码6.0kg，即一级加载；一级荷载保持，分别在低挂点2（节点18）及高挂点（节点9）上挂砝码12kg施加二级荷载，一、二级荷载保持，在模型“水平加载点”通过“砝码+引导绳”的方法施三级加侧向水平荷载，荷载大小取4kg。

依次施加各级静力荷载类型：空载（自重）、一级加载（自重+第一级荷载）、二级加载（自重+第一级荷载+第二级荷载）、三级加载（自重+第一级荷载+第二级荷载+第三级荷载），利用MIDAS结果分析梁构件受力情况（如图3）。

3.2结果分析

对比可知在整个加载过程中，塔身部位相应受力、应变较小；高挂点在整个加载过程中受力和形变变化不大，尤其在三级加载过程中，高挂点依旧能够保持相当的强度、刚度与稳定性；低挂点1（节点19）涉及梁单元33、34、35、36在一级加载情况下受力及形变较大，低挂点12（节点18）涉及梁单元37、38、39、40在二级加载及三级加载情况下受力及形变显著，尤其在三级加载情况下尤为明显。该结论表明模型构建过程中低挂点1、2所连接梁单元应采用刚度较大杆件，模型杆件尺寸选择时可选用如圆柱状或圆筒状加固。

4、结论

（1）结构设计模型源于工程实际，结构优化设计应结合工程实际，随着赛题与实际结合越来越紧密，需要对模型进行有效简化，以抓住主要矛盾进行分析；

（2）通过对实际复杂模型的简化，在满足大赛命题的要求下，进行有限元仿真模拟，以提高分析程度和設计质量，同时有针对性的开展模型制作，加快建造模型速度，节省相关材料。

参考文献

[1]徐龙军，李洋，许昊. 全国大学生结构设计竞赛赛题分析及建议[J]. 高等建筑教育，2012，21（3）：148-150

[2]暴伟，朱珊，胡忠君. 从大学生结构设计竞赛看创新平台建设与人才培养[J]. 吉林省教育学院学报，2015，31（9）：17-19.

[3]付善春，尹祖兴，杨倩文，等. 竹材构件材料力学性能及承载力研究[J]. 河南工程学院学报（自然科学版），2017（4）：49-52.

[4]项昌军，陈跃，童晨希，等. 竹材大跨度屋盖结构模型设计及理论分析[J]. 宁波工程学院学报，2017，29（4）：32-37.

[5]李隽逸，刘志威. 大学生结构设计竞赛之竹材桥梁结构分析[J]. 现代商贸工业，2018（7）：195-196.

[6]曾德军. 竹材结构墙体热特性实验研究[D]. 湖南大学，2011.

（作者单位：武汉生物工程学院 建筑工程学院）