基于摄动法的覆冰输电线非线性振动特征研究

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覆冰输电线在风荷载的激励下极易产生舞动。输电线的长时间舞动可能会降低输电线线路结构的使用寿命,甚至造成断线和倒塔等严重事故,给国民的生命财产安全造成严重的损失。因此,在理论方面和实际工程应用方面,对覆冰输电线线路舞动的研究具有重大意义。论文首先分析了摄动法对输电线舞动控制方程的适用性,对风荷载激励下的覆冰输电线进行物理建模,得到非线性偏微分运动方程。运用模态叠加法和伽辽金法对运动方程进行离散化处理,将该非线性偏微分运动方程转化为包含有二次、三次非线性恢复力项的非线性常微分舞动控制方程。然后,运用摄动法(平均法和多尺度法)求解出该弱非线性舞动控制方程的振幅方程、相移方程和周期近似解析解。接着,使用MATLAB中的龙格库塔函数得到舞动控制方程的数值解。最后,针对不同物理参数和不同风速的工况下,系统分析了摄动法解析解和数值解的时程位移图和相位图。结果表明:由于输电线非线性舞动控制方程中二次非线性恢复力项的存在,使得输电线系统的振动中心会发生漂移。风速、张力、杨氏模量的变化均会使得系统振动中心漂移量发生变化。平均法周期近似解析解不能反应出输电线系统振动中心的漂移量。然而,采用多尺度法能准确求解含有二次非线性恢复力项的弱非线线性方程。在风速变化不大的范围内,四阶多尺度法的周期近似解析解精度优于低阶多尺度法。针对动态风作用下覆冰输电线的非线性舞动响应特性,论文建立了一种新的受迫-自激系统来进行分析。首先,使用多尺度法求解该非线性舞动控制方程,在响应幅值和相位的平均化方程基础上,使用MAPLE得到受迫-自激系统主共振和谐波共振的力幅(p-a)曲线图、幅频(σ-a)曲线图。然后,讨论了多尺度法周期近似解析解对受迫-自激系统非共振响应的适用性。紧接着,分析了弱激励下主共振响应的非线性舞动特征和强激励下的谐波共振响应的非线性舞动特征。结果表明:随着激励幅值的逐渐增加,风荷载激励下的覆冰输电线自激振动条件被受迫激励所破坏,从而发生猝息现象。论文给出了受迫-自激系统存在自激振动的条件判别式。此外,控制参数(风速、张力、激励幅值、杨氏模量、调谐参数)的变化对主共振和谐波共振的共振峰、共振区和非线性动力学行为具有非常明显的影响,控制参数的改变使得该系统的响应幅值产生单值到多值、多值到单值的转变,以此来防止系统共振现象的产生。主共振、1/2阶次谐波共振、2阶和3阶超谐波共振都会影响覆冰输电线线路的舞动特性。在谐波激励下,输电线线路在更小的风速、更短时间内发生舞动,输电线线路响应幅值峰值增大,响应幅值也出现跳跃和多值现象。谐波激励的持续作用下会降低输电线线路的使用寿命,因此在结构参数设计中应考虑主共振和谐波的影响。在实际工程应用中,适当增加输电线的张力和杨氏模量,可以减小主共振和谐波共振的共振峰值。设计人员也可以通过改变输电线线路结构参数或增加防止舞动的措施,改善输电线线路的舞动条件,降低舞动幅度。
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