Нестационарные колебания и устойчивость провисающих проводов воздушных линий при ветровых и гололёдных нагрузках Соколов, Александр Игоревич

Введение к работе

Актуальность работы. Провода воздушных линий электропередачи (ЛЭП, рис. 1), канатные подвесные дороги, шланги, трубопроводы и т.п. при

эксплуатации воспринимают ветровые нагрузки, а в ряде случаев подвержены оледенению. Указанные факторы, по отдельности и в сочетании, могут привести к авариям (обрывы и пережоги проводов, разрушение опор, разрывы шлангов и трубопроводов).

Поскольку, выход из строя ЛЭП приводит к значительным экономическим потерям, механическая часть ЛЭП должна обеспечивать высокий уровень надёжности. Этим обстоятельством определяется применение как инженерных методов, так и высокоточных расчётов при проектировании, учитывающих основные особенности эксплуатации ЛЭП в реальных условиях. Проектировщикам необходимо учесть экстремальные условия, в частности, обледенение и возможное галопирование

проводов, обусловленное взаимодействием с ветром, что приводит к более сложным задачам аэроупругости. Основная особенность этих задач - невозможность получения полной информации о силах, действующих на стержень. Экспериментально удаётся определить аэродинамические силы только для частных случаев обтекания коротких стержней. Задача усложняется наличием провисания (обусловленного ограничением усилий на опоры, температурным расширением и пр.), из-за которого провода получают заметные перемещения под действием ветра.

Поэтому исследование взаимодействия провисающих проводов с ветром в условиях обледенения является актуальной проблемой.

Цель диссертации. Целью диссертации является повышение надёжности воздушных линий в условиях обледенения провисающих проводов за счёт разработки методики расчёта нестационарных колебаний провода относительно положения равновесия в ветровом потоке для определения конструктивных параметров воздушных линий.

Задачи, рассмотренные в диссертации

1. Вывод выражений для аэродинамических нагрузок, действующих на произвольно ориентированный относительно потока движущийся элемент стержня.

Рис. 1

2. Определение статических внутренних силовых факторов (ВСФ) и деформированного состояния пространственно-криволинейных стержней из нелинейных уравнений равновесия провода под действием произвольно направленного стационарного ветрового потока.
   

3. Определение собственных значений колебаний (действительных и комплексных) и собственных векторов для проводов круглого и некруглого (в условиях обледенения) сечений.

4. Определение по действительной части комплексных собственных значений критических скоростей потока, при которых возможна потеря устойчивости положения равновесия провода (динамическим или статическим образом).

5. Определение динамических ВСФ и максимальных отклонений точек провода при нестационарных колебаниях, вызванных воздействием потока.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы основные положения и уравнения механики стержней и нитей, применялись численные методы интегрирования дифференциальных уравнений, решения систем алгебраических уравнений и решения задач на собственные значения.

Научная новизна

5. 1. Разработана новая динамическая модель провисающего провода, взаимодействующего с ветром, учитывающая крутильную и изгибные жёсткости провода, а также возможное оледенение с учётом жёсткости льда и несовпадение центров масс и жёсткости сечений.

   2. Разработана методика численного решения нелинейных уравнений равновесия пространственно-криволинейных стержней в потоке воздуха с определением статических ВСФ при произвольном направлении ветра.

   3. Разработана методика численного определения собственных значений и собственных векторов колебаний, позволяющая найти критические скорости ветра, при которых возможна потеря устойчивости равновесия провода в зависимости от параметров системы "провод-поток".

   4. Разработана методика численного решения уравнений колебаний провода, вызванных нестационарным ветровым потоком, с определением динамических ВСФ.

   5. Получены скорректированные уравнения, с учётом нормировки производной от радиус-вектора, для приближённого решения нелинейных колебаний нити методом разложения по собственным векторам.

   Практическая ценность полученных результатов

   5. 5. 1. Разработаны численные алгоритмы и программное обеспечение (ПО), позволяющие рассчитывать ВСФ длиннопролётных стержневых систем под действием аэродинамических нагрузок с использованием нитяной и стержневой моделей.

         2. Разработаны численные алгоритмы и ПО определения критических параметров потока, обтекающего протяжённую тросовую систему, при которых возможна потеря устойчивости положения равновесия.

         3. Разработана методика для определения максимальных ветровых нагрузок, действующих на стержневые конструкции.

         4. Разработанная инженерная методика расчёта пространственно- криволинейных стержней, взаимодействующих с ветром, может быть применена при расчёте стержневых конструкций, взаимодействующих с потоком газа или жидкости.

         Достоверность научных положений и выводов вытекает из обоснованности использованных теоретических подходов, подтверждается решением тестовых примеров, их сравнением с аналитическими результатами, сравнением решений, полученных при помощи различных моделей, а также сравнением результатов с расчётами, полученными другими авторами.

         Реализация результатов работы. Полученные в диссертации алгоритмы и ПО численного решения уравнений статики и динамики стержней внедрены в расчётную практику ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН и Конструкторско-технологического бюро Департамента промышленности ЗАО «СУ-155».

         Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях аспирантов в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2005-2007, 2012 г.г.), на НТС отделения ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" (2012 г.), на XXXII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2012 г.), на научном семинаре "МЕСМУС" и в отделе "Вибрационная биомеханика" ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН (2012 г.).

         Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 85 наименований, приложения; содержит 177 страниц, 122 рисунка и 7 таблиц.

         Похожие диссертации на Нестационарные колебания и устойчивость провисающих проводов воздушных линий при ветровых и гололёдных нагрузках

         Устойчивость колебаний механических систем с движущимися нагрузкамиВеричев Станислав Николаевич

         

         Снижение динамических нагрузок от крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля с помощью совмещенного стартер-генератораУфимцев Алексей Сергеевич

         Нестационарные колебания ротора турбоагрегата при внезапном изменении нагрузки в цепи статора генератораКирьян, Дмитрий Георгиевич

         Методология определения динамических характеристик гидроупругих систем применительно к проблемам устойчивости продольных колебаний жидкостной ракеты в полете и динамического поведения амортизируемых объектов при кинематическом возбужденииБалакирев, Юрий Георгиевич

         Колебания и устойчивость скольжения в условиях вскипания смазочного материалаСоломин, Олег Вячеславович

         Устойчивость и случайные колебания сжато-скрученных прямолинейных стержней, взаимодействующих с потоком жидкостиРезазаде-Лалалу Гадер

         Динамика и средства защиты от вибрации проводов линий электропередачи и самонесущих кабелей связиАфанасьева, Ольга Евгеньевна

         

         Колебания и устойчивость упругой и вязкоупругой пластины в сверхзвуковом потоке газаЛунёв, Андрей Вячеславович

         

         Колебания и устойчивость сопряженных оболочекНаумова Наталья Владимировна

         

         Устойчивость и колебания сопряженных тонких оболочек и пластин Макаренко Ирина Николаевна