山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法
专利汇可以提供山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种山火诱发 钢 结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，基于分布式非 接触 传感器 、多天线分集合成接收方式和远程 服务器 ，通过Fluent分析山火时变空间 温度 场，利用ANSYS/ABAQUS/COMSOL等非线性 有限元分析 工具进行结构抗火检验，将两者耦合并实施动态模拟、 阈值 对比和图像拟合，建立针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应 力 损益、 应力 形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型。优点：为各种塔形和各 电压 等级输电线路钢结构杆塔的规划、设计和运行维护提供指导，实现钢结构杆塔及智能 电网 安全运营和结构失效预警。，下面是山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法专利的具体信息内容。
1.山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是包括以下步骤：
（1）三维CAD图纸模型和特征数据库建立；
（2）分布式非接触式传感器数据回传；
（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析；
（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立；
（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验；
（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型；
（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立。
2.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述步骤（1）三维CAD图纸模型和特征数据库建立，包括：
1）通过500 kV输电线路钢结构杆塔及零部件的技术参数建立三维CAD图纸模型；
2）利用ANSYS workbench软件对CAD图纸模型进行节点及单元划分、逐步施加极限承载力载荷进行求解，对高压输电杆塔杆件进行静态失效点分析，储存至典型静态故障模拟数据库，建立训练样本集；
3）对典型静态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部载荷级别，低位字节表示外部载荷导致的偏移量，建立双参量故障风险分析数据库；
4）将用ICEM软件划分好网格的杆塔工程文件导入Fluent中，利用Fluent软件的热力耦合功能，设置火线强度、火焰高度、火焰长度、温度场变化，模拟山火条件下杆塔及其周围的热力分布云图，高温情况下杆塔承重结构失稳数据，储存至典型动态故障模拟数据库，建立训练样本集；
5）对典型动态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部热场编号，低位字节表示热力分布云图编号，导入双参量故障风险分析数据库。
3.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述步骤（2）分布式非接触式传感器数据回传采用分布式非接触式传感器数据回传网络系统，包括发送设备、接收设备和服务器，所述发送设备通过非接触式传感器采集数据信号后进行编码、载波调制并通过天线发送至接收设备，接收设备接收发送设备发送的信号，实时对载波信号进行解调、解码，并接入服务器中数据库进行筛选。
4.根据权利要求3所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述发送设备包括非接触式传感器、发射电台、功率放大器和天线；非接触式传感器采集型号输入模拟数字信号给发射电台，发射电台对模拟数字信号进行采集、压缩、编码加密后，调制到载波信号上，已调信号通过功率放大器放大后经由天线发送给接收设备。
5.根据权利要求3所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述接收设备包括全向天线、低噪声放大器、分集合成接收机和服务器，服务器包括数据接收机、服务器主机、网络交换机和电源模块；所述发送设备输出信号通过全向天线、低噪声放大器输入分集合成接收机，分集合成接收机将载波信号输入服务器中的数据接收机，通过服务器主机和网络交换机上传至互联网。
6.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述步骤（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析，包括以下步骤：
1）将500 kV高压输电线路钢结构杆塔三维CAD图纸导入Fluent，使用Fluent对模型进行材料设定，500 kV输电杆塔材质为Q235，其热工参量随时间变化而变化，属于非线性瞬态模拟；
2）使用理想条件下山火环境设定Fluent边界条件，模拟真实山火爆发时的场景；三维空间控制火场微分方程为：
式中ρ为流体密度，单位为kg/m3；φ为任一变量； 为脉动速度，单位为m/s； 为变量φ的扩散系数； 为变量的源项；t为时间，单位为s；
3）燃烧过程中，火羽流和热气流流动呈无序混乱状态，为湍流过程，选择湍流模型标准方程进行数据模拟；
4）模拟温度场变化过程属于非线性瞬态导热范畴，将Fluent进行求解器设定为3D非稳态隐藏式求解器作为求解方程式；
5）对设置完成的Fluent进行模型初始化；
6）Fluent计算求解，通过CFD-Post后处理窗口得到局部杆件金属表面温度分布和特定位置点温度变化曲线图。
7.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述步骤（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立，包括以下步骤：
1）利用分布式非接触式传感器数据回传网络，得出不同时间节点杆塔杆件结构单元的温度及应力应变的演化过程数据，在ANSYS、ABAQUS或COMSOL软件中建立输电线路杆塔结构有限元模型；
2）对山火条件下结构杆件应力应变演变及表面和本体温度分布进行动态模拟，得出山火向输电线路走廊蔓延和逼近方向不同动态时间节点杆塔杆件典型部位结构单元的温度及应力应变的演化过程，提炼线路通道靠近单基杆塔处山火火线强度、火场温度分布、火焰蔓延速率、火羽流结构、火焰高度、火焰长度参量以及杆塔结构元件高温诱发应力形变、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、表面和本体温度参量，构建以上参量关联模型，发展复合指标，建立杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统。
8.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述步骤（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验，包括以下步骤：
1）由Fluent构建输电线路杆塔结构表面时变空间温度场有限元模型，通过Fluent计算出山火发生时所发生的火焰冲击、热对流、热辐射及对流换热传热方式对于杆塔左侧向杆塔杆件结构单元的温度分布图，作为动态模拟的温度变化输入参量；
2）利用ANSYS、ABAQUS或COMSOL软件进行山火蔓延方向与输电线路杆塔所在走廊走向水平、垂直和斜向相交工况下杆塔力学场有限元模型构建和应力变化曲线绘制，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场，其后进行输电线路杆塔结构抗火的力学性能检验，判断结构体系是否已形成可变机构及其形成周期和模式，“是”则对应结构倒塌 ，“否”则根据构件残余变形判断结构是否已超出设计允许范围，并根据构件变形时间曲线得到耐火时间，根据耐火时间确定结构是否满足规范要求，根据计算结果评估输电线路杆塔结构体系是否倒塌或超过设计限值，判断杆塔整体可靠度，开发针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应力损益、应力形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型。
9.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型：利用多次模拟数据实验，结合静态钢结构杆塔失效数据及热场作用下高压输电线路杆塔温度分布图和应力形变分布图，利用温度对钢结构材料的物性影响数据，得到不同热场条件下杆件失效点极限应力，并绘制温度-应力应变双参量耦合的钢结构杆塔倒塌数据曲线模型。
10.根据权利要求1所述的山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法，其特征是所述（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立：为ANSYS WorkBench编写python脚本文件处理上述分布式非接触式传感器网络和Fluent、ANSYS、ABAQUS或COMSOL软件所得到数据，利用pillow、numpy或pyqtgraph进行像素点识别和阈值分析，当温度变化到达钢结构杆塔发生应力应变变化时，获取应力变化范围和钢结构杆塔温度-应力应变曲线，同时进行数据及图像拟合比对，一旦应力达到阈值或钢结构杆塔温度-应力应变曲线与温度-应力应变双参量耦合钢结构杆塔倒塌数据曲线有拟合趋势时，主程序界面显示危险预警、地理信息、危险部位及数值示意，并使用PyQt5编写监控界面、危险预警界面、动态信息提示界面辅助检测界面，从而实现安全预警功能。
山火诱发钢结构杆塔结构失效的仿真模拟和安全预警方法
技术领域
背景技术
5154-2012）、《特高压架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486-2013）、《110kV~
750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）、《110kV 500kV架空送电线路设计技术规~
程》（DL/T 5092-1999）等国家标准和电力部门规范中均未涉及和体现。
发明内容
（2）分布式非接触式传感器数据回传；
（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析；
（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立；
（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验；
（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型；
（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立。
具体实施方式
（2）分布式非接触式传感器数据回传；
（3）高压输电杆塔构件受火热流场架构和杆件金属表面温度场分析；
（4）杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统建立；
（5）山火诱发钢结构杆塔结构失效仿真模拟实验；
（6）绘制温度-应力应变双参量耦合曲线模型；
（7）山火诱发钢结构杆塔结构失效安全预警程序建立。
2）利用ANSYS workbench软件对CAD图纸模型进行节点及单元划分、逐步施加极限承载力载荷进行求解，对高压输电杆塔杆件进行静态失效点分析，储存至典型静态故障模拟数据库，建立训练样本集；
3）对典型静态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部载荷级别，低位字节表示外部载荷导致的偏移量，建立双参量故障风险分析数据库；
4）将用ICEM软件划分好网格的杆塔工程文件导入Fluent中，利用Fluent软件的热力耦合功能，设置火线强度、火焰高度、火焰长度、温度场变化，模拟山火条件下杆塔及其周围的热力分布云图，高温情况下杆塔承重结构失稳数据，储存至典型动态故障模拟数据库，建立训练样本集；
5）对典型动态故障进行数字编码，所述数字编码使用二段编码方式，高位字节表示外部热场编号，低位字节表示热力分布云图编号，导入双参量故障风险分析数据库。
2）使用理想条件下山火环境设定Fluent边界条件，模拟真实山火爆发时的场景；三维空间控制火场微分方程为：
式中ρ为流体密度，单位为kg/m3；φ为任一变量； 为脉动速度，单位为m/s； 为变量φ的扩散系数； 为变量的源项；t为时间，单位为s；
3）燃烧过程中，火羽流和热气流流动呈无序混乱状态，为湍流过程，选择湍流模型标准方程进行数据模拟；
4）模拟温度场变化过程属于非线性瞬态导热范畴，将Fluent进行求解器设定为3D非稳态隐藏式求解器作为求解方程式；
5）对设置完成的Fluent进行模型初始化；
6）Fluent计算求解，通过CFD-Post后处理窗口得到局部杆件金属表面温度分布和特定位置点温度变化曲线图。
2）对山火条件下结构杆件应力应变演变及表面和本体温度分布进行动态模拟，得出山火向输电线路走廊蔓延和逼近方向不同动态时间节点杆塔杆件典型部位结构单元的温度及应力应变的演化过程，提炼线路通道靠近单基杆塔处山火火线强度、火场温度分布、火焰蔓延速率、火羽流结构、火焰高度、火焰长度参量以及杆塔结构元件高温诱发应力形变、屈服强度、抗拉强度、弹性模量、表面和本体温度参量，构建以上参量关联模型，发展复合指标，建立杆塔结构元件失效准则和抗火预警系统。
2）利用ANSYS、ABAQUS或COMSOL软件进行山火蔓延方向与输电线路杆塔所在走廊走向水平、垂直和斜向相交工况下杆塔力学场有限元模型构建和应力变化曲线绘制，再将获得的有限元温度场带入到力学场有限元模型进行计算得出力学场，其后进行输电线路杆塔结构抗火的力学性能检验，判断结构体系是否已形成可变机构及其形成周期和模式，“是”则对应结构倒塌 ，“否”则根据构件残余变形判断结构是否已超出设计允许范围，并根据构件变形时间曲线得到耐火时间，根据耐火时间确定结构是否满足规范要求，根据计算结果评估输电线路杆塔结构体系是否倒塌或超过设计限值，判断杆塔整体可靠度，开发针对钢结构杆塔抗火特性及渐变性应力损益、应力形变和倒塌危险等级判定的理论计算、非线性有限元仿真模拟和数据分析模型。
1、高压输电杆塔结构构件动态失效点分析。
式中ρ为流体密度，单位为kg/m3；φ为任一变量； 为脉动速度，单位为m/s； 为变量ϕ的扩散系数； 为变量的源项；t为单位时间，单位为s。
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