CN112541291B - 一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法。本发明基于有限元软件，首先利用有限元软件建立支柱瓷绝缘子的整体模型，运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析；其次，使用子模型技术，单独建立法兰胶装区域局部模型，将整体模型在局部模型边界的位移响应作为法兰胶装区域局部模型的边界条件；最后在局部模型中不同材料的接触面上使用粘聚带模型，模拟接触行为。本发明的建模方法，既避免了在整体模型中采用精细建模法导致的网格过多、计算规模大的问题，又避免了简化建模中没有考虑瓷绝缘子胶装区域各材料之间接触行为的问题，兼顾计算的高效性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电网支柱瓷绝缘子技术领域，具体地说是一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法。
背景技术
电网高压支柱瓷绝缘子作为高压隔离开关的重要组成部分，起着电气绝缘和机械支撑的作用。当在高电压工况、触指/触头长期开合以及恶劣环境等因素综合作用下，支柱瓷绝缘子的性能将显著下降，加之瓷绝缘子本身可能存在着质量问题，因此很容易发生断裂事故，尤其以支柱瓷绝缘子法兰断裂故障最多。现有研究认为支柱瓷绝缘子断裂的内因是瓷绝缘子本身存在缺陷，外因是运行中的支柱瓷绝缘子所受弯曲应力过大和外界恶劣环境。
目前，国内外主要用数值仿真分析和试验方法对支柱瓷绝缘子的机械性能进行研究。与试验方法相比，数值仿真分析更显经济方便，而且随着数值算法的不断发展，越来越多的人将其应用到瓷绝缘子的课题研究中，现有主要流行的数值方法有：边界元法、权函数法和有限元法。其中数有限元法应用最为广泛，它是将连续体离散为有限个单元体，通过对这些单元做分片插值来求解各种物理问题。有限元软件具有丰富的单元类型，可以模拟任何形状的实体构件。而且还涵盖了数量繁多的材料模型数据库，可以模拟出大部分材料的材料性能。在非线性分析方面也具备自动调整参数的功能，不仅可以在计算的过程当中自动选择合适的收敛准则，还可以自主选择计算参数的值，从而可以使得计算过程高效的进行。因此被广泛应用于支柱瓷绝缘子研究和优化当中。
粘聚带模型常被用来模拟两种初始粘结的表面之间的分离、复合材料分层的问题和粘合剂失效的问题。这种方法通过运用粘聚带本构模型，即界面的牵引-分离定律，将复杂的断裂机制理想化。
支柱瓷绝缘子法兰接口是陶瓷、水泥和金属法兰三种材料结合处，由于其温度线膨胀系数不一致，在温度升高或降低时彼此的膨胀或收缩程度不一致，从而导致热应力的产生，温度变化引起的热应力是导致支柱瓷绝缘子胶装处疲劳与老化，并最终发生断裂的重要因素之一。因此在支柱瓷绝缘子仿真分析中有必要得到法兰胶装区域的精确的解，同时该局部区域的详细模拟对于支柱瓷绝缘子整体解的影响又可以忽略，这就需要利用子模型技术，对支柱瓷绝缘子进行多层次精细化建模，来避免在整体模型中网格过多、计算规模大的问题，又避免简化建模中没有考虑瓷绝缘子胶装区域各材料之间接触行为的问题，兼顾计算的高效性和准确性。
发明内容
针对上述现有支柱瓷绝缘子建模方法的不足，本发明提供一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，以避免在整体模型中网格过多、计算规模大的问题，又避免简化建模中没有考虑瓷绝缘子胶装区域各材料之间接触行为的问题，兼顾计算的高效性和准确性。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，首先利用有限元软件建立支柱瓷绝缘子的整体模型，运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析；其次，使用子模型技术，单独建立法兰胶装区域局部模型，将整体模型在局部模型边界的位移响应作为法兰胶装区域局部模型的边界条件；最后在局部模型中不同材料的接触面上使用粘聚带模型，模拟接触行为。
本发明采用的另一种技术方案为：一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其包括：
步骤一、利用有限元软件建立支柱瓷绝缘子的整体模型：分别建立瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰部件并赋予材料属性，再按照胶装位置进行装配；瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰部件间设置绑定约束，即它们之间无相对滑动；约束支柱瓷绝缘子下法兰盘螺栓孔沿x、y、z三个方向的平动自由度，并在支柱瓷绝缘子上法兰盘上施加弯曲载荷；划分模型网格；
步骤二、运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析，存储计算结果；
步骤三、建立支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型，在瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰接触面上嵌入零厚度界面单元，并用粘聚带模型的牵引-分离准则定义零厚度界面单元的本构，模拟瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰之间的接触行为，定义法兰胶装区域局部模型中的驱动面或者驱动节点的总集；
步骤四、设置“驱动变量”；
步骤五、运行“驱动变量”，利用整体模型解进行参数传递，分析法兰胶装区域局部模型并求解。
本发明在有限元分析中，支柱瓷绝缘子法兰胶装区域构建精细化局部模型，其他部位仅作为输入条件采用粗略网格给局部模型，同时兼顾计算的高效性和准确性。
本发明在于实现支柱瓷绝缘子的多层次精细化研究，既分析瓷绝缘子各主要部件在不同荷载工况下的应力响应，又使用细化的网格来研究瓷绝缘子局部，胶装区域中的瓷柱-水泥胶合剂、水泥胶合剂-金属法兰间的复杂接触行为和耦合断裂机理。
进一步地，步骤二中的运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析，存储计算结果，具体实现过程如下：
先为步骤三中将要建立的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型创建一个工作文件夹，然后将整体模型的计算结果文件存储在这个工作文件夹中，从而保证整体模型和局部模型链接到一起，整体模型的计算结果读入局部模型分析中。
更进一步地，步骤二中，局部模型的计算精度取决于整体模型在局部模型边界处的计算结果，必须保证整体模型在局部模型边界位置有足够的网格数量，同时应选择位移稳定的位置作为局部模型的边界。
进一步地，步骤三中，建立支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型，并在瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰接触面上嵌入零厚度界面单元，具体实现过程如下：
1)在Part模块中建立包括倒数第一根伞裙以下的瓷柱部分、水泥胶合剂和金属法兰部件；
2)在Property模块中，分别为瓷柱、水泥胶合剂、金属法兰和将要插入的界面单元建立材料属性；
3)在Assembly模块中，生成瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰实例，并按照瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰的相对位置进行装配，将装配好的法兰胶装区域局部模型平移到其在整体模型中的对应坐标位置；
4)在Mesh模块中为水泥胶合剂划分网格；
5)在Mesh模块中生成水泥胶合剂网格部件，在水泥胶合剂网格部件与瓷柱和金属附件的接触面上分别嵌入零厚度界面单元，并为嵌入后的零厚度界面单元各自设置一个集合名称；
6)在Assembly模块中生成水泥胶合剂网格部件实例，将其平移到与步骤3)中水泥胶合剂实例相同的位置，删除水泥胶合剂实例，形成瓷柱-水泥胶合剂接触面上、水泥胶合剂-金属法兰接触面上都带有零厚度界面单元的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型。
进一步地，步骤四中设置驱动变量的具体实现过程如下：
1)将整体模型计算结果读入局部模型中；
2)整体模型每一个分析步的对应节点的位移将作为新添加的边界条件应用于局部模型，施加在全局模型中的边界条件若有作用在局部模型的单元上的需要保留，不在则不保留；
3)默认情况下，根据包含驱动节点的位置或者驱动面的面片的单元，来寻找局部模型附近的整体模型，而后局部模型通过这些单元的响应来驱动。
进一步地，所述粘聚带模型(Cohesive Zone Model)也叫内聚力模型，是一种用来模拟两种初始粘合的表面之间的分离和复合材料的分层问题的有效方法；粘聚带模型假设材料是由一个个的基本单元构成，这些单元不会发生损伤和破坏，而单元与单元之间有虚拟的粘结面，材料的断裂和损伤只发生在单元与单元之间虚拟的粘结面上。该模型把裂纹的萌生和扩展以一种本构模型表示出来，它可以同时模拟裂纹起裂和裂纹扩展的过程。
本发明具有的有益效果如下：本发明实现了支柱瓷绝缘子的多层次精细化研究，既分析瓷绝缘子各主要部件在不同荷载工况下的应力响应，又使用细化的网格来研究支柱瓷绝缘子法兰胶装区域复合材料的接触行为。本发明的建模方法，既避免了在整体模型中采用精细建模法导致的网格过多、计算规模大的问题，又避免了简化建模中没有考虑瓷绝缘子胶装区域各材料之间接触行为的问题，兼顾计算的高效性和准确性。
附图说明
图1为本发明支柱瓷绝缘子的整体模型图；
图2为本发明支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型图；
图3为本发明水泥胶合剂网格部件图；
图4为本发明在瓷绝缘子不同材料接触面上嵌入的零厚度界面单元的剖视图；
图4中，4-瓷柱与水泥胶合剂间的零厚度界面单元，5-水泥胶合剂与金属附件间的零厚度界面单元；
图5为本发明支柱瓷绝缘子法兰胶装区域局部模型细化网格后的剖视图；
图5中，1-瓷柱，2-水泥胶合剂，3-金属法兰；
图6为本发明采用的粘聚带模型双线性本构关系图；
图6中横坐标为分离位移δ，纵坐标为牵引应力σ；δ0为损伤起始时对应的分离位移，δc为单元彻底失效时的分离位移；tc为界面单元的粘结强度，k为接触界面的刚度，φ为材料吸收的粘聚断裂能。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行更加清楚、完整的描述。
结合图1-6说明本发明实施方式，一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其包括：
步骤一、利用有限元软件建立支柱瓷绝缘子的整体模型：分别建立瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰部件并赋予材料属性，再按照胶装位置进行装配；瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰间设置绑定约束，即它们之间无相对滑动；约束支柱瓷绝缘子下法兰盘螺栓孔沿x，y，z三个方向的平动自由度，并在上法兰盘上施加弯曲载荷；划分网格；
步骤二、运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析，存储局部模型边界位置的计算结果。先为步骤三中将要建立的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型创建一个工作文件夹，然后将整体模型的计算结果文件(.odb)存储在这个文件夹中，从而保证整体模型和局部模型可以链接到一起，整体模型的计算结果可以读入局部模型分析中。
步骤三、建立支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型，并在瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰接触面上嵌入零厚度界面单元，包括以下6个步骤：
(1)在Part模块中建立包括倒数第一根伞裙以下的瓷柱部分、水泥胶合剂和金属法兰部件；
(2)在Property模块中分别为瓷柱、水泥胶合剂、金属法兰和将要插入的界面单元建立材料属性；以粘聚带模型的牵引-分离准则定义界面单元的弹性，即将界面的法向应力和切向应力与法向分离和切向分离相关联的弹性本构矩阵方式来描述弹性行为。界面的牵引应力向量t由三个分量组成：tn、ts和tt，分别代表法向力和两个切向牵引力，相应的分离记作δn、δs和δt，弹性行为可写作：
式中，Kii(i为n，s或t)分别代表接触界面对应方向的刚度。
选用最大应力准则作为界面单元损伤初始准则，即假设当最大接触应力达到某个值时，损伤开始，表示为：
式中，tn、ts和tt分别代表牵引应力三个方向的分量，和/>分别代表三个方向的粘结强度。
式中的<tn>的含义是：
基于损伤过程中产生的能量消耗来定义损伤扩展，也称其为断裂能，等于拉伸-分离曲线包围的面积。将断裂能指定为界面相互作用的一个属性，并选择线性或者指数软化行为。
(3)如图2，在Assembly模块中，生成瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰实例，并按照瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰的相对位置进行装配，将装配好的法兰胶装区域局部模型平移到其在整体模型中的对应坐标位置；
(4)在Mesh模块中为水泥胶合剂划分网格；
(5)如图3和图4，在Mesh模块中生成水泥胶合剂网格部件，在水泥胶合剂网格部件与瓷柱和金属法兰的接触面上分别嵌入零厚度界面单元，并为嵌入后的零厚度界面单元各自设置一个集合名称；
(6)在Assembly模块中生成水泥胶合剂网格部件实例，将其平移到与步骤3)中水泥胶合剂实例相同的位置，删除水泥胶合剂实例，形成瓷柱-水泥胶合剂接触面上、水泥胶合剂-金属法兰接触面上都带有零厚度界面单元的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型。
步骤四、设置“驱动变量”包括以下3个步骤：
(1)将整体模型计算结果读入局部模型中；
(2)整体模型每一个分析步的对应节点的位移将作为新添加的边界条件应用于局部模型，施加在全局模型中的边界条件若有作用在局部模型的单元上的需要保留，不在则不保留。
(3)默认情况下，根据包含驱动节点的位置或者驱动面的面片的单元，来寻找局部模型附近的整体模型，而后局部模型通过这些单元的响应来驱动。
步骤五、运行“驱动变量”，利用整体模型解进行参数传递，分析法兰胶装区域局部模型并求解。
Claims (9)
1.一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，包括：
步骤一、利用有限元软件建立支柱瓷绝缘子的整体模型：分别建立瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰部件并赋予材料属性，再按照胶装位置进行装配；瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰部件间设置绑定约束，即它们之间无相对滑动；约束支柱瓷绝缘子下法兰盘螺栓孔沿x、y、z三个方向的平动自由度，并在支柱瓷绝缘子上法兰盘上施加弯曲载荷；划分模型网格；
步骤二、运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析，存储计算结果；
步骤三、建立支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型，在瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰接触面上嵌入零厚度界面单元，并用粘聚带模型的牵引-分离准则定义零厚度界面单元的本构，模拟瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰之间的接触行为，定义法兰胶装区域局部模型中的驱动面或者驱动节点的总集；
步骤四、设置“驱动变量”；
步骤五、运行“驱动变量”，利用整体模型解进行参数传递，分析法兰胶装区域局部模型并求解。
2.根据权利要求1所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，步骤二中的运行支柱瓷绝缘子的整体模型分析，存储计算结果，具体实现过程如下：
先为步骤三中将要建立的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型创建一个工作文件夹，然后将整体模型的计算结果文件存储在这个工作文件夹中，从而保证整体模型和局部模型链接到一起，整体模型的计算结果读入局部模型分析中。
3.根据权利要求1所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，步骤二中，局部模型的计算精度取决于整体模型在局部模型边界处的计算结果，必须保证整体模型在局部模型边界位置有足够的网格数量，同时应选择位移稳定的位置作为局部模型的边界。
4.根据权利要求1所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，步骤三中，建立支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型，并在瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰接触面上嵌入零厚度界面单元，具体实现过程如下：
1)在Part模块中建立包括倒数第一根伞裙以下的瓷柱部分、水泥胶合剂和金属法兰部件；
2)在Property模块中，分别为瓷柱、水泥胶合剂、金属法兰和将要插入的界面单元建立材料属性；
3)在Assembly模块中，生成瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰实例，并按照瓷柱、水泥胶合剂和金属法兰的相对位置进行装配，将装配好的法兰胶装区域局部模型平移到其在整体模型中的对应坐标位置；
4)在Mesh模块中为水泥胶合剂划分网格；
5)在Mesh模块中生成水泥胶合剂网格部件，在水泥胶合剂网格部件与瓷柱和金属法兰的接触面上分别嵌入零厚度界面单元，并为嵌入后的零厚度界面单元各自设置一个集合名称；
6)在Assembly模块中生成水泥胶合剂网格部件实例，将其平移到与步骤3)中水泥胶合剂实例相同的位置，删除水泥胶合剂实例，形成瓷柱-水泥胶合剂接触面上、水泥胶合剂-金属法兰接触面上都带有零厚度界面单元的支柱瓷绝缘子的法兰胶装区域局部模型。
5.根据权利要求4所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，步骤2)中，
以粘聚带模型的牵引-分离准则定义界面单元的弹性，即将界面的法向应力和切向应力与法向分离和切向分离相关联的弹性本构矩阵方式来描述弹性行为。
6.根据权利要求5所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，界面的牵引应力向量t由三个分量组成：tn、ts和tt，分别代表法向力和两个切向牵引力，相应的分离位移记作δn、δs和δt，弹性行为写作：
式中，Kii代表接触界面对应方向的刚度，i为n，s或t。
7.根据权利要求6所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，选用最大应力准则作为界面单元损伤初始准则，即假设当最大接触应力达到某个值时，损伤开始，表示为：
式中，tn、ts和tt分别代表牵引应力三个方向的分量，和/>分别代表三个方向的粘结强度，
式中的<tn>的含义是：
8.根据权利要求1所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，步骤四中设置驱动变量的具体实现过程如下：
1)将整体模型计算结果读入局部模型中；
2)整体模型每一个分析步的对应节点的位移将作为新添加的边界条件应用于局部模型，施加在全局模型中的边界条件若有作用在局部模型的单元上的需要保留，不在则不保留；
3)默认情况下，根据包含驱动节点的位置或者驱动面的面片的单元，来寻找局部模型附近的整体模型，而后局部模型通过这些单元的响应来驱动。
9.根据权利要求1所述的一种面向电网支柱瓷绝缘子的多层次精细化建模方法，其特征在于，所述粘聚带模型也叫内聚力模型，是一种用来模拟两种初始粘合的表面之间的分离和复合材料的分层问题的有效方法；粘聚带模型假设材料是由一个个的基本单元构成，这些单元不会发生损伤和破坏，而单元与单元之间有虚拟的粘结面，材料的断裂和损伤只发生在单元与单元之间虚拟的粘结面上。
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| CN112541291A (zh) | 2021-03-23 |
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