(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221082782 2.1 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 (72)发明人 赵鹏飞　杜志叶　孟圣淳　龙振华　 郝兆扬　岳国华　李根　修连成　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 罗敏清 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 输电杆塔力学有限元模型的重构方法 (57)摘要 本发明公开了一种输电杆塔力学有限元模 型的重构方法， 包括： 将激光点云扫描处理后的 输电杆塔三维实体模型导入到有 限元软件中进 行角钢坐标信息识别； 筛选出角钢端部截面关键 点坐标中的最外侧角节点坐标作为角钢单元的 端点坐标； 对 所有角钢单元的端点坐标进行相邻 节点融合处理； 识别输电杆塔模 型中辅材与主材 交叉的情况， 在交叉点处的主材上新增分段节点 坐标； 识别输电杆塔模型中辅材与辅材交叉的情 况， 计算交叉点处的节点坐标； 提取输电杆塔中 所有角钢单元更新后的两端节点坐标和角钢端 部横截面积数据， 从而完成对整个输电杆塔力学 有限元模型的重构。 本发明能够对角钢杆件 连接 点进行等效节 点刚度转化， 大大提高了其建模精 度和建模效率。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 115310172 A 2022.11.08 CN 115310172 A 1.一种输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1、 通过激光点云扫描获得输电杆塔三维实体模型， 对三维实体模型进行处理获取 模型中每根角钢的点云坐标数据， 并识别出输电杆塔实体模型中总的角钢数量及每根角钢 两端的关键点 坐标信息， 且计算每根角钢端部的横截面积； 步骤2、 根据每根角钢两端横截面的关键点坐标识别且筛选出角钢端部截面中最外侧 角节点的关键点 坐标， 并将其作为角钢单 元的节点 坐标； 步骤3、 对所有角钢单 元的节点 坐标进行相邻节点融合处 理； 步骤4、 识别输电杆塔实体模型中辅材与主材交叉的情况， 在交叉点处的主材单元上新 增节点坐标并将主材单元进行分段， 同时将处在交叉点附近的辅材角钢的节点坐标修改为 主材上的新增节点 坐标， 然后再次进行相邻节点融合处 理； 步骤5、 识别输电杆塔实体模型中辅材与辅材成X交叉的情况， 计算交叉点处的节点坐 标作为新增节点 坐标， 同时对交叉的辅材 单元进行分段； 步骤6、 提取步骤1 ‑5获得的输电杆塔 中所有角钢单元的两端节点坐标和角钢 端部横截 面积数据， 并根据提取的节点坐标和角钢端部横截面积数据重构整个输电杆塔的力学有限 元模型。 2.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 在步骤2 中， 筛选出角钢端部截面中最外侧角节点的关键点 坐标的具体方法为： 先根据角钢 端部的关键点坐标数据计算出任意两个关键点之间的距离， 再计算与某个 关键点相连的两条线的单位矢量内积是否接近0来筛选相互垂直的两条边， 然后再比较这 两条边长度是否接近来筛选出角钢端部的最外侧和最内侧的角节点坐标， 最后选择与节点 相连的两条边长度和最大的节点 坐标作为 最外侧的角节点 坐标。 3.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 步骤3 中， 在进行相邻节点融合处理 时选择角钢横截面积大的节点坐标不变， 修改与之相邻的角钢横 截截面积小的节点 坐标， 使其 坐标最后都融合 为横截面积最大的那根角钢的节点 坐标。 4.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 步骤4具 体包括： 步骤4.1、 提取第一根角钢的横截面积S1， 并将其依次与后面角钢的横截面积Si两两进 行比较， 当满足|S1‑Si|≥ΔS1， 则说明两根角钢中一根为主材一根为辅材， 其中， ΔS1根据 实际需要设定， 然后以横截面积大 的角钢单元确定为主材， 计算辅材两个端点距离主材线 段的距离， 若其中一个端点离主材距离在ΔL1以内， 则判断为辅材与主材存在交叉的情况， 其中， ΔL1根据实际需要设定； 步骤4.2、 在辅材与主材存在交叉情况的前提下， 计算角钢端点之间的距离， 设置判断 条件为辅材的端点与主材的两个端点之 间距离都要大于一定值， 从而排除主 材和辅材只在 端点交叉的情况； 步骤4.3、 最后计算在交叉点处 的主材上的新增节点坐标， 并根据新增的节点对主材进 行分段。 5.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 步骤4.3 计算在交叉点处的主材 上的新增节点 坐标方法为： 设与主材存在交叉的辅材的端点坐标为P(x0,y0,z0)， 主材线段为AB， A端点坐标为(x1,权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115310172 A 2y1,z1)， B端点坐标为(x2,y2,z2)， 从点P作线段AB的垂线， 垂足为Q(x,y,z)， 计算出直线AB 参 数方程中的参数t1， 将t1代入直线方程中即可 得垂足点 坐标(X,Y,Z)作为 新增点坐标， 其中， 6.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 步骤5具 体包括： 步骤5.1、 提取第一根辅材角钢的横截面积S1， 并将其依次循环与后面的辅材角钢的横 截面积Si两两进行比较， 当满足|S1‑Si|≤ΔS2， 则说明两根角钢的横截面积接近， ΔS2根据 实际需要设定， 计算角钢两两端点之间的距离， 若其中任意两个端点间的距离都小于角钢 本身的长度， 则判断为辅材与辅材存在交叉的情况； 步骤5.2、 计算辅材交叉点的节点 坐标； 步骤5.3、 修改此时交叉的辅材角钢端点坐标， 并将辅材角钢从交叉的节点处进行分 段。 7.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 计算辅材 交叉点的节点 坐标的方法为： 设第一根角钢 线段AB上存在一点P(X,Y,Z)， A端点坐标为(x1,y1,z1)， B端点坐标为(x2, y2,z2)， 第二根角钢线段CD上存在一点Q(U,V,W)， C端 点坐标为(x3,y3,z3)， D端点坐标为(x4, y4,z4)， 则辅材交叉情况下两个角钢线段 之间存在最短距离 为PQ， 计算关于直线方程中参 数 s2和t2的PQ最短距离平方的偏导数f(s2,t2)， 并令偏导数f(s2,t2)为0求出s2和t2， 将参数t2 代入直线方程中即可计算出交叉点的节点 坐标K(X1,Y1,Z1)： PQ两点间的距离为： PQ最短距离平方的偏导数f(s2,t2)为： 交叉点的节点 坐标K(X1,Y1,Z1)： 8.根据权利要求1所述的输电杆塔力学有限元模型的重构方法， 其特征在于， 步骤6具 体包括： 提取步骤1 ‑5获得的输电杆塔模型中的角钢端点坐标和横截面积数据， 利用MATLAB编权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115310172 A 3