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固有频率仿真计算方法的研究 　　【摘要】GIS产品部分电站曾出现母线筒体、隔离开关等元件在带电的情况下，出现较为明显的声响，并且筒体有较明显的振动现象。若长期运行可能会造成导电杆、母线筒连接处接触不良、螺栓松动，从而可能影响设备的正常运行。 　　本文以计算机仿真作为辅助手段，针对固有频率展开计算，作为振动研究的主要工作内容。并针对实际工程进行了大量仿真计算工作：一方面对已出现的问题进行分析，给出修改建议；另一方面总结了工程中常用结构固有频率的影响因素，为以后的工程设计提供参考。 　　【关键词】振动；固有频率；仿真计算；ANSYS 　　一、概述 　　振动是自然界和工程界常见的现象，其作用具有双重性。 　　GIS产品部分电站曾出现过母线筒体、隔离开关等元件在带电的情况下，出现较为明显的声响，并且筒体有较明显的振动现象。若长期运行可能会造成导电杆、母线筒连接处接触不良、螺栓松动，从而可能影响设备的正常运行。 　　从目前的研究成果看，出现上述异常现象是由于在电动力的作用下，导电杆和母线筒体发生了共振。分析产生共振原因的手段有计算机仿真及测量两种，其中测量是目前最为可靠的手段，可以较为精确的获得测量对象的固有频率及其在外界激励下的响应，从而判断是否发生共振现象。而计算机仿真作为一种辅助手段，可以节省大量的测量工作量，并且可以有效的进行定性判断，有助于指导前期工程设计。 　　以往的工程结构按静强度概念设计，依据动强度进行校核，然后再进行动力学实验，根据实验结果对其进行动力学模型修改。一个复杂结构从初步设计到建造完成，需要花费很长时间，耗费大量人力和物力，而且收效甚低，总让设计者处于被动局面。结构在运行过程中，不可避免的要产生过度振动甚至发生振动故障，引起重大事故。有关统计标明，在桥梁等结构所发生的重大事故中，主要与结构强度有关，且40%与振动问题有关。 　　固有频率是振动结构最为重要的振动特性之一。动载荷作用下的结构响应很大程度上依赖与结构的前几阶固有频率。当动载荷频率接近于结构的某阶固有频率时，结构会出现振幅非常大的过度振动。 　　本文以计算机仿真作为辅助手段，针对固有频率展开计算，作为振动研究的主要工作内容。 　　二、产品出现振动的原因 　　GIS产品导电杆和母线筒多次出现的振动现象，是由于导电杆或母线筒体的固有频率与电动力的频率相同或者接近而引起的。 　　对于两平行导体，若导体中通过一个正弦交流电流，根据电路原理可知其电动力为： 　　其中，C为回路系数，Im为交流电流峰值。 　　由上式可知，电动力频率是电流频率的2倍，我国的电流频率是50Hz，所以电动力的频率为100Hz。由图1也可以得出，电动力方向始终为同一方向，要么为引力要么为斥力。GIS产品中的导电杆在工作中会受到100Hz的电动力激励，如果导电杆的固有频率和电动力频率接近，就会引起共振；如果母线筒或导电杆的固有频率与电动力频率接近，母线筒或导电杆会在电动力的激励下产生共振，从而影响输电系统的稳定性，甚至可能对导电设备产生破坏。因此，分析导电杆和母线筒的固有频率是非常必要的。 　　为确保结构安全，工程上一般规定设备的固有频率应该避免出现在0.8f-1.2f之间（f为外激励力频率），由于电动力频率为100Hz，则导电杆和母线筒的固有频率应避免在80Hz-120Hz范围内。 　　三、固有频率仿真计算的原理及方法 　　模态分析法是进行振动分析一种非常有效的动态分析方法，在结构动力学问题中，结构的固有频率和固有振型是分析结构动力学响应与其它动力特性问题的基础。因此，开展固有频率的计算，对研究导电杆及母线筒是否会产生共振具有重要的意义。 　　仿真计算值是在理想状态下经过适当简化后的计算结果，由于实际环境条件与理论计算条件的差异，计算值与产品实际的固有频率结果可能存在一定的偏差。 　　计算时所取材料属性如表1所示： 　　表1 材料参数 　　元件 材料 弹性模量（GPa） 泊松比 密度（kg/m-3） 　　导电杆 5052-H112 69.3 0.33 2670 　　电接头 AS7G03 65 0.33 2660 　　绝缘盆及绝缘支柱 环氧树脂 5 0.3 2280 　　在实际工程中可采用有限元法对系统进行模态分析，本文计算的有限元建模与分析均采用ANSYS来实现。其计算步骤主要分为建模及网格剖分、选择分析类型、加载求解、观察结果等四步，图2为ANSYS计算的流程图。 　　四、固有频率仿真计算方法的工程应用 　　对于工程问题，为节省设计时间、提高设计效率，并考虑到仿真计算与测量的工作特点，一般采取下面的工作流程： 　　第一步：对研究对象进行固有频率的仿真计算，前8阶（包含水平及竖直两种振型，下同）计算结果不存在80～120H