CN112580854B - 一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,包括以下步骤:步骤S1:选取影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的相关决策变量,并限定变量优化的范围;步骤S2:构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数;步骤S3:根据得到的多个目标函数进行归一化处理,归一化后通过构造评价函数将多目标优化问题转换成单目标优化问题;步骤S4:根据空气状态方程和炸药JWL状态方程,构建仿真模型;步骤S5:基于人工鱼群算法,以决策变量为搜索空间,以评价函数为适应度,通过内爆炸应力数值仿真模型仿真计算,评价函数稳定后即得到最优值,输出优化结果。本发明能有效、快速对10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力进行优化。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆技术领域,具体涉及一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法。
背景技术
大多数电力电缆都以隧道、排管(工井)、排架形式敷设,一旦发生故障,极易引发火灾,威胁电网安全。电缆中间接头是电缆线路中的薄弱环节,近年来的统计数据表明中间接头故障占据各类电缆故障首位。根据《国家电网公司十八项反事故措施(2018年修订版)》第13.2条要求,多回路不同等级电缆共沟时应对电缆接头做好防火防爆等隔离措施,为此电网公司对大量电缆接头安装了防火防爆盒。
随着城市配电网建设规模日益增大,10kV电缆线路数与长度也在不断增加。2019年5月,某电力公司发生一起10kV电缆中间接头短路故障,巨大的短路电流(10kA)冲击导致接头防爆盒开裂并掀翻工井井盖,故障电缆工井位于人行道上,严重威胁过往行人安全。然而,近年来城市电网中类似故障越来越多,这表明部分接头防火防爆盒产品未能在故障中起到相应防护作用,并且此类产品的试验报告中也未含有防爆性能检测,存在一定的安全隐患。此外,目前电缆接头防火防爆盒结构尺寸设计大都凭借生产产家经验,缺乏足够的理论支撑,在实际应用中存在较大偏差,无法达到最优化的设计效果。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,实现有效、快速对10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力进行优化。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,包括以下步骤:
步骤S1:选取影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的相关决策变量,并限定各变量可优化的范围;
步骤S2:构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数;
步骤S3:根据得到的多个目标函数进行归一化处理,归一化后通过构造评价函数将多目标优化问题转换成单目标优化问题;
步骤S4:根据空气状态方程和炸药JWL状态方程,构建10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型;
步骤S5:基于人工鱼群算法,以决策变量为搜索空间,以评价函数为适应度,通过内爆炸应力数值仿真模型仿真计算,评价函数稳定后即得到最优值,输出优化结果。
进一步的,所述相关决策变量包括头直径D、内倾角θ、倒圆角半径R和厚度d,各个决策变量的优化范围分别为:
其中,Dmin和Dmax为预设的头直径D最小值和最大值;θmin和θmax为预设的内倾角θ最小值和最大值;Rmin和Rmax为预设的倒圆角半径R最小值和最大值;dmin和dmax为预设的厚度d最小值和最大值。
进一步的,所述多个目标函数包括:爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p:
S1=maxS1i(i=1,2,...,n)
其中,S1i为爆心环面第i个点的位移;
S2=maxS2j(j=1,2,...,n)
其中,S2j为封头中心第j个点的位移;
p=p1+p2+p3
其中,p1为材料成本,p2为加工制作成本,p3为施工安装成本。
进一步的,所述步骤S3具体为:对目标函数爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p进行归一化处理:
构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的评价函数为:
f(x)=0.5f1(x)+0.3f2(x)+0.2f3(x) (3)
其中,α1、α2和α3分别为爆心环面位移峰值、封头中心位移峰值和成本目标函数的权重系数。
进一步的,所述空气状态方程为:
P=C0+C1V+C2V2+C3V3+(C4+C5+C6V2)E (4)
其中,P为爆轰压力;ρ为空气密度;E为初始能量密度,V为初始能量体积;C0-C6为固定参数。
进一步的,所述步骤3中,所述炸药JWL状态方程为:
其中,A,B,R1,R2,ω均为JWL状态方程中的参数,R1,R2,ω均为无量纲参数。
进一步的,所述10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型中,空气、炸药采用欧拉网格,钢筒采用拉格朗日网格,钢筒和空气、炸药之间采用Euler/Lagrange耦合算法,欧拉区域两端边界条件设为外流模式,拉格朗日区域两端为自由边界;空气采用线性气体模型;炸药采用JWL爆轰产物状态方程;钢材采用线性弹塑性模型。
进一步的,所述步骤S5具体为:
步骤S51:定义决策变量的求解域Ω;
步骤S52:鱼群初始化;
步骤S53:由当前位置进行鱼群聚群、追尾等行为;
步骤S54:将决策变量传递给LS-DYNA进行防爆盒应力计算;
步骤S55:读取LS-DYNA计算结果并计算每个粒子的适应度;
步骤S56:比较得到个体最优度和群体最优度;
步骤S57:迭代次数达到设定值,结束。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
本发明基于人工鱼群算法和显式动力分析程序LS-DYNA,实现了10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的自动优化。
附图说明
图1是本发明方法流程图;
图2是本发明一实施例中决策变量的图例说明;
图3是本发明一实施例中10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力寻优过程;
图4是本发明一实施例中10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型;
图5是本发明一实施例中10kV电缆中间接头防爆盒不同时刻的内爆炸应力数值计算结果;
图6是本发明一实施例中10kV电缆中间接头防爆盒不同位置的内爆炸应力数值计算结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1,本发明提供参见图1,本发明提供了一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,包括以下步骤:
步骤S1:选取影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的决策变量,并限定各变量可优化的范围。
参见图2,影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的决策变量包括封头直径D、内倾角θ、倒圆角半径R和厚度d,各个决策变量的优化范围分别为:
步骤S2:确定10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数,
其中,10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数包括:爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p。
S1=maxS1i(i=1,2,...,n)
其中,S1i为爆心环面第i个点的位移;
S2=maxS2j(j=1,2,...,n)
其中,S2j为封头中心第j个点的位移;
p=p1+p2+p3
其中,p1为材料成本,p2为加工制作成本,p3为施工安装成本。
步骤S3:对多个目标函数进行归一化处理,归一化后通过构造评价函数将多目标优化问题转换成单目标优化问题。
多目标函数归一化处理为:
其中,s10、s20和p0分别为爆心环面位移峰值控制值、封头中心位移峰值控制值和成本控制值。
根据上述归一化目标函数,构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的评价函数为:
f(x)=α1f1(x)+α2f2(x)+α3f3(x) (3)
其中,α1、α2和α3分别为爆心环面位移峰值、封头中心位移峰值和成本目标函数的权重系数,并且满足α1+α2+α3=1。
步骤S4:根据空气状态方程和炸药JWL状态方程,在显式动力分析程序LS-DYNA中建立10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型。
所述空气状态方程为:
P=C0+C1V+C2V2+C3V3+(C4+C5+C6V2)E (4)
其中,P为压力;ρ为空气密度;E为初始能量密度,V为初始能量体积;C0-C6为固定参数。
所述炸药JWL状态方程为:
其中,A,B,R1,R2,ω均为JWL状态方程中的参数,R1,R2,ω均为无量纲参数。
在10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型中,空气、炸药采用欧拉网格,钢筒采用拉格朗日网格,钢筒和空气、炸药之间采用Euler/Lagrange耦合算法,电缆中间接头防爆盒端头与壳体为一整体,采用相同材料,具有相同强度;空气采用线性气体模型;炸药采用JWL爆轰产物状态方程;钢材采用线性弹塑性模型。
步骤S5:基于人工鱼群算法,以决策变量为搜索空间,以评价函数为适应度,在MATLAB中建立10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化程序,通过调用LS-DYNA进行仿真计算,评价函数稳定后即得到最优值,输出优化结果。
该人工鱼群算法采用自上而下的寻优模式,模仿了鱼群的觅食、聚群、追尾和随机等行为。通过鱼群中各个体的局部寻优来使得全局最优值在群体中凸显。
参见图3,基于人工鱼群算法的10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力寻优过程为:
1)定义决策变量的求解域Ω;
2)鱼群初始化;
3)由当前位置进行鱼群聚群、追尾等行为;
4)将决策变量传递给LS-DYNA进行防爆盒应力计算;
5)读取LS-DYNA计算结果并计算每个粒子的适应度;
6)比较得到个体最优度和群体最优度;
7)迭代次数达到设定值,结束。
实施例1:
本实施例中,以10kV某型号电缆中间接头防爆盒为例
1)选取影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的决策变量:封头直径D、内倾角θ、倒圆角半径R和厚度d,各个决策变量的优化范围分别为:
2)确定10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数:爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p,并进行归一化处理:
构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的评价函数为:
f(x)=0.5f1(x)+0.3f2(x)+0.2f3(x) (18)
3)根据空气状态方程和炸药JWL状态方程,在显式动力分析程序LS-DYNA中建立10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型,如图4所示。防爆盒材料采用304不锈钢。空气、炸药采用欧拉网格,钢筒采用拉格朗日网格,钢筒和空气、炸药之间采用Euler/Lagrange耦合算法,欧拉区域两端边界条件设为外流模式,拉格朗日区域两端为自由边界;空气采用线性气体模型;炸药采用JWL爆轰产物状态方程;钢材采用线性弹塑性模型。
所述空气状态方程为:
P=C0+C1V+C2V2+C3V3+(C4+C5+C6V2)E (19)
其中,P为压力;ρ为空气密度;E为初始能量密度,V为初始能量体积;C0-C6为固定参数,取值如表1所示。
表1空气状态方程参数
所述炸药JWL状态方程为:
其中,A,B,R1,R2,ω均为JWL状态方程中的参数,R1,R2,ω均为无量纲参数,取值如表2所示。
表2 TNT状态方程参数
4)基于人工鱼群算法,以决策变量{D、θ、R、d}为搜索空间,以评价函数f(x)为适应度,在MATLAB中建立10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化程序,通过调用LS-DYNA进行仿真计算。
在鱼群初始位置,不同时刻对应的10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值计算结果如图5所示,不同位置的内爆炸应力数值计算结果如图6所示。
迭代到55代之后,最优评价函数的值基本稳定,达到全局最小值0.9347,并且4个决策变量的数值已稳定,可以判断达到最优值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:选取影响10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力的相关决策变量,并限定各变量可优化的范围;
所述相关决策变量包括头直径D、内倾角θ、倒圆角半径R和厚度d,各个决策变量的优化范围分别为:
其中,Dmin和Dmax为预设的头直径D最小值和最大值;θmin和θmax为预设的内倾角θ最小值和最大值;Rmin和Rmax为预设的倒圆角半径R最小值和最大值;dmin和dmax为预设的厚度d最小值和最大值;
步骤S2:构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的多个目标函数;
所述多个目标函数包括:爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p:
s1=max s1i(i=1,2,...,n)
其中,s1i为爆心环面第i个点的位移;
s2=max s2j(j=1,2,...,n)
其中,s2j为封头中心第j个点的位移;
p=p1+p2+p3
其中,p1为材料成本,p2为加工制作成本,p3为施工安装成本;
步骤S3:根据得到的多个目标函数进行归一化处理,归一化后通过构造评价函数将多目标优化问题转换成单目标优化问题;
所述步骤S3具体为:对目标函数爆心环面位移峰值s1、封头中心位移峰值s2和防爆盒成本p进行归一化处理:
构建10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化的评价函数为:
f(x)=0.5f1(x)+0.3f2(x)+0.2f3(x) (3)
步骤S4:根据空气状态方程和炸药JWL状态方程,构建10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型;
所述10kV电缆中间接头防爆盒的内爆炸应力数值仿真模型中,空气、炸药采用欧拉网格,钢筒采用拉格朗日网格,钢筒和空气、炸药之间采用Euler/Lagrange耦合算法,欧拉区域两端边界条件设为外流模式,拉格朗日区域两端为自由边界;空气采用线性气体模型;炸药采用JWL爆轰产物状态方程;钢材采用线性弹塑性模型;
步骤S5:基于人工鱼群算法,以所述决策变量为搜索空间,以所述 评价函数为适应度,通过内爆炸应力数值仿真模型仿真计算,评价函数稳定后即得到最优值,输出优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,其特征在于,所述空气状态方程为:
P=C0+C1V+C2V2+C3V3+(C4+C5+C6V2)E (4)
其中,P为爆轰压力;E为初始能量密度,V为初始能量体积;C0-C6为固定参数。
4.根据权利要求1所述的一种10kV电缆中间接头防爆盒内爆炸应力优化方法,其特征在于,所述步骤S5具体为:
步骤S51:定义决策变量的求解域Ω;
步骤S52:鱼群初始化;
步骤S53:由当前位置进行鱼群聚群、追尾行为;
步骤S54:将决策变量传递给LS-DYNA进行防爆盒应力计算;
步骤S55:读取LS-DYNA计算结果并计算每个粒子的适应度;
步骤S56:比较得到个体最优度和群体最优度;
步骤S57:迭代次数达到设定值,结束。
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- 2020-11-25 CN CN202011341531.9A patent/CN112580854B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112580854A (zh) | 2021-03-30 |
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