摘要
独立避雷针结构作为变电站重要组成部分，其结构安全性能直接影响到变电站的正常输变电。常见的避雷针结构通常高且断面尺寸较小，属于典型的高柔结构，风荷载作用下，在结构顶端容易出现较大的位移，避雷针结构各段连接法兰盘处的薄弱位置容易产生损伤，甚至发生整体倒塌事故。本文在国家自然科学基金项目（51808374）和山西省留学人员科技活动择优资助项目(DC1900000602)的联合资助下，以我国东南某220kV变电站避雷针结构更换工程为背景，采用ANSYSWorkbench有限元分析软件，对独立避雷针结构进行风绕流分析和整体受力性能分析。本文主要研究内容如下： （1）根据实际工程，利用SolidWorks建立有限元模型，导入到ANSYSWorkbench进行数值模拟分析，利用Fluent软件对不同重现期风速下的独立避雷针结构不同节段周围的流场进行了模拟，得出了独立避雷针结构不同节段的升力系数曲线，通过origin对升力系数曲线对进行频谱分析，并对结构周围的风压力场和速度场分布情况进行了对比。结果表明：升力系数呈类似正弦函数周期变化且与独立避雷针高度与风速成正相关关系；不同风速情况下，升力系数CL数值均在0值上下呈正弦曲线波动，表明圆柱壁面处受到横风向对称交替变化的作用力。结构迎风面为风速驻点，对应风压最大且为正值；结构背风面因为来流遇到圆钢管的阻碍出现漩涡脱落产生一定风吸力，风压减小为负值，从速度矢量图观察到结构背风面出现回流现象。 （2）利用Workbench中Modal模块对独立避雷针结构的前10阶模态进行了数值模拟，得出了独立避雷针结构的前10阶自振频率以及每阶频率所对应的振型。通过对比分析知，得出了结构在不同情况下的动态响应；以及对结构顶端最大位移进行变形验算的重要性。 （3）在Workbench有限元分析软件中，对5种高度不同的独立避雷针结构分别进行了拟静力分析、单向流固耦合分析、双向流固耦合分析。通过对比在三种不同分析方法下结构的最大位移和最大应力。结果表明：三种分析方法所得结构最大位移与风速均成正相关且单向流固耦合分析得出的结果是拟静力得出结果的1.04~1.4倍；通过对独立避雷针结构应力分析可知，应力较大处为结构底端与支座连接处；当风速为35m/s时，45米高独立避雷针结构使用单向流固耦合分析时结构已屈服失效，而拟静力分析结构还未屈服；故建议针对独立避雷针等类似高柔结构在计算时宜采用流固耦合理论进行补充计算，才更能确保结构的可靠性。
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