CN112505153B - 一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统，其方法包括：建立耐张线夹模型；基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。在本发明实施例中，通过结合仿真分析方法和实际测量方法的误差判断，可验证仿真分析方法的准确可行性，对耐张线夹的质量评判具有重要意义。

Description

一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统。

背景技术

在电力系统中，用来实现远距离输电的导线通常采用耐张线夹以液压压接方式进行连接，针对耐张线夹的压接质量判定一般采用量取外径的传统方式，但由于耐张线夹的壁厚会随压接压力、压接速度等因素而改变，使得该传统方式存在一定的局限性，无法直观地对耐张线夹的内部压接质量进行判断分析，若在输电线路上使用存在质量问题的耐张线夹，会导致存在安全隐患。因此，技术人员提出结合有限元仿真的超声相控阵检测方法来解决对耐张线夹的内部质量判断问题，但该方法的可行性却未得到过验证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统，可有效验证结合有限元仿真的超声相控阵检测技术的可行性，对耐张线夹的质量评判具有重要意义。

为了解决上述问题，本发明提出了一种应用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法，所述方法包括：

建立耐张线夹模型；

基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。

可选的，所述基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析包括：

构建压力声学本构方程；

将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；

基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据。

可选的，所述压力声学本构方程包括：

p_t＝p+p_b

其中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源(施加于压电传感器)。

可选的，所述调制得到的激励信号为：

其中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间。

另外，本发明实施例还提供了一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析系统，所述系统包括：

建立模块，用于建立耐张线夹模型；

仿真模块，用于基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

检测模块，用于利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

分析模块，用于获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。

可选的，所述仿真模块用于构建压力声学本构方程；将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据。

可选的，所述压力声学本构方程包括：

p_t＝p+p_b

其中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源(施加于压电传感器)。

可选的，所述调制得到的激励信号为：

其中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间。

在本发明实施例中，通过结合有限元仿真的超声相控阵检测技术所获取的理论结果，以及通过超声相控阵设备所检测到的实际结果，可真实有效地验证通过该超声相控阵检测技术对耐张线夹的内部质量进行检测的可行性，对耐张线夹在输电线路上的安全应用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例公开的一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法的流程示意图；

图2是本发明实施例公开的钢芯与钢锚压接位置的仿真分析图；

图3是本发明实施例公开的槽口与铝套管压接位置的仿真分析图；

图4是本发明实施例公开的铝绞线与铝套管压接位置的仿真分析图；

图5是本发明实施例公开的耐张线夹各个压接位置的相控阵成像图；

图6是本发明实施例公开的一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析系统的结构组成图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例中的一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法的流程示意图，所述方法包括如下：

S101、建立耐张线夹模型；

在本发明实施例中，根据GB/T 1179-2017《圆线同心绞架空导线》，利用三维软件建立趋于理想化的型号为NY-240/40的耐张线夹模型，包括分别建立线夹本体模型与导线模型，再完成所述线夹本体模型与所述导线模型之间的装配。其中，所述线夹本体模型应该清晰地表达出钢芯与钢锚压接位置、铝绞线与铝套管压接位置以及槽口与铝套管压接位置。

S102、基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

具体实施过程为：

(1)构建压力声学本构方程为：

p_t＝p+p_b

其中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源(施加于压电传感器)。

(2)将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；

在本发明实施例中，首先将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，其次定义各个模型材料参数包括：将铝套管设置为AA1050纯铝材料、将钢锚设置为Q195工程结构钢以及将压电陶瓷设置为PZT-5A陶瓷，再根据仿真时网格允许的最大尺寸不能超过波长的五分之一，此时结合仿真所采用的频率为20MHz与波长公式λ＝v/f，得到仿真时可允许的网格最大尺寸为0.063mm。

(3)基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据。

在本发明实施例中，由于耐张线夹在经过实际的液压压接后，其工件不同贴合面之间会形成形状不规则的空气腔，当超声波在工件内部传播时，将基于空气腔的存在而发生声波折射和反射现象，以此形成与压接质量检测相关的空腔回波，而其它部分的超声波会继续传播，直至材料边界发生反射。

针对空腔回波信号的分析判断，此处采用相控阵超声检测技术来实现，即通过一维线性相控阵探头来执行64个阵元的接收与发射，且每次同时激发8个阵元来接收空腔回波信号，以通过矢量叠加原理得到空腔回波信号的声压。首先根据相控发射聚集原理，设置线性阵列换能器所要达到的聚焦效果的延迟时间t_fn为：

其中，n为阵元序号，F为焦距，c为介质声速，d为阵元中心距，t₀为时间常数，且该时间常数的数值应足够大，以避免t_fn出现负值；

其次，利用高斯窗函数对正弦信号进行调制，获取所述调制得到的激励信号为：

其中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间，且根据前一时刻与上述延迟时间可得到。

最后，结合脉冲反射法所提供的壁厚求解公式

(/>

为超声波从发射到接收的时间差)，利用该激励信号进行仿真，可获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据包括如下：

a.钢芯与钢锚压接位置的壁厚数据

图2示出了本发明实施例中的钢芯与钢锚压接位置的仿真分析图，其中的B图描述了超声波在遇到该压接位置内部的空腔产生反射所得到的声压曲线，可知：第一个波形为始波，到了2*10^-6s后得到空腔回波，此时可以读取出该空腔回波的时间差为1.52*10^-6s，经计算可得到该压接位置所对应的壁厚数据为4.48mm；

b.槽口与铝套管压接位置的壁厚数据

图3示出了本发明实施例中的槽口与铝套管压接位置的仿真分析图，其中的B图描述了超声波在遇到该压接位置内部的空腔产生反射所得到的声压曲线，可知：第一个波形为始波，到了3*10^-6s后得到空腔回波，此时可以读取出该空腔回波的时间差为2.4*10^-6s，经计算可得到该压接位置所对应的壁厚数据为7.56mm；

c.铝绞线与铝套管压接位置的壁厚数据

图4示出了本发明实施例中的铝绞线与铝套管压接位置的仿真分析图，其中的B图描述了超声波在遇到该压接位置内部的空腔产生反射所得到的声压曲线，可知：第一个波形为始波，到了3*10^-6s后得到空腔回波，此时可以读取出该空腔回波的时间差为2.11*10^{- 6}s，经计算可得到该压接位置所对应的壁厚数据为6.65mm。

S103、利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

在本发明实施例中，图5示出了本发明实施例中的耐张线夹各个压接位置的相控阵成像图，该成像结果显示出了空腔大小，且通过超声相控阵设备(即多浦乐Phascan型检测仪)可直接测量出耐张线夹的各个压接位置的壁厚数据。此处应用5根耐张线夹按照DL/T5285-2018《输变电工程架空导线(800mm2以下)及地线液压压接工艺规程》进行压接质量检测，且每一根耐张线夹上的三个压接位置在压接后呈现正六边形结构，对应的检测结果如表1所示：

表1各个压接位置的壁厚数据记录表

工件编号	1	2	3	4	5
						钢锚与钢芯压接	4.00	4.04	4.19	4.15	4.00
槽口与铝套管压接	7.20	6.85	7.15	7.00	6.70
						铝绞线与铝套管压接	6.46	6.45	6.59	6.67	6.34

由表1可知，上述5根耐张线夹在钢锚与钢芯压接位置的平均深度为4.08mm，上述5根耐张线夹在槽口与铝套管压接位置的平均深度为6.98mm，上述5根耐张线夹在铝绞线与铝套管压接位置的平均深度为6.50mm。

S104、获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。

在本发明实施例中，结合步骤S102与步骤S103中所对应的耐张线夹的各个壁厚数据，可知：在钢锚与钢芯压接位置的仿真壁厚数据4.48mm与实际壁厚数据4.08mm之间的误差值为9.8％，在槽口与铝套管压接位置的仿真壁厚数据7.56mm与实际壁厚数据6.98mm之间的误差值为8.3％，在铝绞线与铝套管压接位置的仿真壁厚数据6.65mm与实际壁厚数据6.50mm之间的误差值为2.3％，综上可得到各个误差值均小于20％，即说明所述结合有限元仿真的相控阵超声检测技术应用在耐张线夹压接后的壁厚检测方面具备准确可靠性，对耐张线夹在线路上的安全使用具有重要意义。

图6示出了本发明实施例公开的一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析系统的结构组成图，所述系统包括：

建立模块201，用于建立耐张线夹模型；

仿真模块202，用于基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

具体的，所述仿真模块202用于构建压力声学本构方程为：

p_t＝p+p_b

式中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源(施加于压电传感器)。

所述仿真模块202还用于将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；以及基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据，其中所述调制得到的激励信号为：

式中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间。

检测模块203，用于利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

分析模块204，用于获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。

其中，所述系统被配置用于执行上述的用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法，针对所述系统中的各个模块的具体实施方式请参考图1所示出的方法流程图及具体实施内容，在此不再赘述。

在本发明实施例中，通过结合有限元仿真的超声相控阵检测技术所获取的理论结果，以及通过超声相控阵设备所检测到的实际结果，可真实有效地验证通过该超声相控阵检测技术对耐张线夹的内部质量进行检测的可行性，对耐张线夹在输电线路上的安全应用具有重要意义。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法及系统进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法，其特征在于，所述方法包括：

建立耐张线夹模型；

基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析；

所述基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析包括：

构建压力声学本构方程；

将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；

基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据；

其中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源，Q_m施加于压电传感器。

2.根据权利要求1所述的用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法，其特征在于，所述调制得到的激励信号为：

其中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间。

3.一种实施权利要求1-2任一项所述的用于耐张线夹压接质检的技术可行性分析方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

建立模块，用于建立耐张线夹模型；

仿真模块，用于基于结合有限元仿真的相控阵超声检测技术，对所述耐张线夹模型中的各个压接位置进行仿真分析，获取所述耐张线夹模型在压接过程中所生成的仿真壁厚数据；

检测模块，用于利用超声相控阵设备对耐张线夹的各个压接位置进行检测，获取所述耐张线夹在压接过程中所生成的实际壁厚数据；

分析模块，用于获取所述仿真壁厚数据与所述实际壁厚数据之间的误差数据，并基于所述误差数据对所述相控阵超声检测技术的应用进行可行性分析。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述仿真模块用于构建压力声学本构方程；将所述耐张线夹模型导入所述压力声学本构方程中，并对所述耐张线夹模型进行有限元网格划分；基于调制得到的激励信号，对划分后的所述耐张线夹模型进行仿真计算，获取所述耐张线压模型在各个压接位置处所对应的仿真壁厚数据。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压力声学本构方程包括：

p_t＝p+p_b

其中，ρ为介质密度，c为声波在介质中传播的速度，p为声压，p_b为背景压力，p_t为总压力，t为传播时间，

为梯度，q_d为单极源，Q_m为偶极源，Q_m施加于压电传感器。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述调制得到的激励信号为：

其中，A为激励信号的脉冲幅值，σ为激励信号的脉冲标准差，f为激励信号的频率，t为时间。

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