CN114329843A - 基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有限元建模和数值仿真技术领域，公开了一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，本方法包括以下步骤：步骤一：根据实际工程确定换流阀的尺寸、材料及其力学性能参数，同时确定所需采用的抗震分析方法；步骤二：通过Python脚本程序写入相应的建模信息，搭建有限元模型的基本结构；步骤三：运行步骤二中的Python脚本程序，在交互式对话框中输入步骤一中所确定的参数；步骤四：Abaqus软件读取步骤三中输入的参数，通过Python程序自动生成相应的有限元模型，并根据需要进行反应谱或地震波时程分析。本方法能针对不同参数尺寸的换流阀进行快速自动建模，极大地提高了建模效率和准确性，方便对各类换流阀进行抗震分析。

Description

基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储 介质

技术领域

本发明涉及有限元建模和数值仿真技术领域，具体涉及一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质。

背景技术

特高压输电是世界上最先进的输电方式。中国幅员辽阔，人口众多，大多数人口集中在经济发达的中部及东部沿海地区，经济生活需要消耗大量能源，尤其需要充足的电力供应，而中国用于发电的煤炭及水能资源集中分布于华北、西北及西南地区，如煤炭储量丰富的山西、陕西、宁夏、新疆部分地区，以及水能资源丰富的西南地区(雅砻江、金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等)。电力供给与需求间的地区不平衡问题尤为突出。特高压直流输电能够很好地解决我国能源分布不平衡的问题，它是解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段。直流输电将交流电通过换流器变换成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端并通过换流器变成交流电，最终注入交流电网。相对交流输电来说，直流输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊、能够实现快速控制等优点。特高压直流输电具备点对点、超远距离、大容量送电能力，主要定位于我国西南大水电基地和西北大煤电基地的超远距离、超大容量外送。

换流阀是特高压直流输电中的核心电气设备，其抗震性能也直接影响到整个换流站的安全运行。不同的换流阀厂家在设计、生产中，其结构有所不同，但大体均可分为悬吊绝缘子、顶屏蔽层、底屏蔽层、层间绝缘子、晶闸管阀模块、水管和避雷器几个部分。对换流阀的抗震分析离不开有限元仿真技术，Abaqus是一套功能强大的基于有限单元法的工程模拟软件，它可以解决从简单的线性分析到复杂的非线性模拟等各种问题。Abaqus具有十分丰富的单元库，可以模拟几乎任意实际形状。Abaqus也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、陶瓷和复合材料等。

在常规建模程序中，需通过可视化界面进行操作，这种建模方式需耗费大量时间，过程冗杂，还容易因为偶然的操作失误而导致整个模型带错运行，且这种错误不易被发现。采用参数化建模所有的步骤均通过程序进行，修改模型仅需添加或修改代码，程序语言的可重用性很好地解决了这一问题。同时，对于不同厂家生产的换流阀塔，其外形尺寸有所不同，若采用可视化界面，修改模型几何尺寸的工作量很大，操作繁琐，时间和人工成本均较高，且很容易产生差错。参数化建模仅需修改关键几何参数后再次运行程序即可，其中重复性的操作(如各层阀模块间相同的连接等)可采用循环语句得以实现，这极大地提高了建模的效率和模型的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，本方法能针对不同参数尺寸的换流阀进行快速自动建模，极大地提高了建模效率和准确性，方便对各类换流阀进行抗震分析。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法，包括：

步骤一：根据实际工程情况确定使用的换流阀的参数信息，同时确定需要采用的抗震分析方法；

步骤二：通过编写Python脚本程序搭建有限元模型所需的建模信息，继而搭建出代码形式的有限元模型的基本结构；

步骤三：运行步骤二中的Python脚本程序，并向Python脚本程序输入步骤一中确定的换流阀参数信息；

步骤四：采用Abaqus软件读取步骤三中输入的换流阀参数信息，通过Python脚本程序自动生成相应的有限元模型，并结合抗震分析方法对有限元模型进行抗震分析。

其中，步骤二是实现换流阀参数化建模的核心步骤，步骤二中的Python脚本程序中包含了有限元模型中关于换流阀的所有信息，步骤二将换流阀的部件、材料、截面、属性、装配、分析步、相互作用、荷载、网格和作业等内容信息均集合到了Python脚本程序中，从而使得在步骤四中能够自动生成相应的有限元模型。

进一步的，所述步骤二中调用“from abaqus import”函数编写Python脚本程序，且除特定输入参数代码外，程序中的内容用户不得随意更改。

进一步的，所述步骤二包括：采用Python脚本程序编写有限元模型中的部件模块、材料模块、截面模块、属性模块、装配模块、分析步模块、相互作用模块、荷载模块、网格模块和作业模块；

其中，在所述部件模块中，建立换流阀的各个部件，各个部件具体包括：底/顶屏蔽层、阀塔水管、悬吊绝缘子、避雷器、层间绝缘子、层内阀组模块、层间阀模块连接杆以及阀塔顶部吊梁；

在所述材料模块中，建立换流阀各个部件所采用的材料，并定义相应的力学性能参数，其中，材料包括：铝合金ZL101A、钢材Q235B、悬吊绝缘子复合材料、PVDF水管、层间绝缘子材料和避雷器瓷套管材料；

在所述截面模块中，建立换流阀各个部件对应的截面，并将这些截面赋予给对应的换流阀部件；其中，截面包括：底/顶屏蔽层工字钢截面、水管圆截面、悬吊绝缘子及层间绝缘子圆截面、避雷器圆管截面、阀塔吊梁圆截面；

在所述属性模块中，添加集中质点，用于模拟换流阀内部阀模块的质量；

在所述装配模块中，通过导入不同部件，并挪动其几何位置，建立出换流阀的整体几何模型；

在所述分析步模块中，建立静力分析步、频谱分析步及反应谱或时程分析计算分析步；

在所述相互作用模块中，建立换流阀各部件之间的连接；其中，连接包括：悬吊绝缘子与顶屏蔽层间的铰接、顶屏蔽层与层间绝缘子间的连接、层间绝缘子与阀模块及底屏蔽层间的连接、以及换流阀塔与避雷器及水管间的连接；

在所述荷载模块中，添加重力荷载和风荷载，并设置边界条件；

在所述网格模块中，对各个部件划分网格单元；

在所述作业模块中，建立作业分析，设定最大内存和并行处理器个数。

进一步的，所述步骤三中，采用交互式对话框的形式向Python脚本程序输入步骤一中确定的换流阀参数信息，从而能够很方便地修改换流阀相关信息，无需在建模过程中修改程序代码。

进一步的，所述抗震分析方法包括振型分解反应谱法和地震波时程分析法。

第二方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述第一方面所述的方法。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)用户在建立换流阀模型的过程中，无需依赖第三方软件(如CAD等)，即可完成具有复杂结构的换流阀建模工作，从而降低了建模过程对Abaqus以外的软件的依赖性；

(2)采用脚本程序进行建模，能大大节约建模时间，极大地提高了建模效率；

(3)相比可视化界面操作过程，采用程序自动建立模型极大地提高了建模的准确性，避免了在界面操作过程中产生的人为错误。只要经检查保证程序代码是正确的，就能正确地批量建立后续众多的有限元模型，从而保证模型均具有很高的质量；

(4)不同换流站的换流阀各项参数均存在差异，即使是同一个换流站内部，也可能因厂家不同而产生不同。本发明为不同换流阀的参数分析提供了便捷的通道，当用户需要修改参数建立不同的换流阀模型时，只需在交互式对话框中输入新的参数，即可自动生成新的模型，快速完成批量建模任务。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法的流程示意图。

图2为典型800kV高压换流阀设备外形尺寸图。

图3为建模过程中交互式对话框界面。

图4为程序生成的典型换流阀的顶/底屏蔽层。

图5为程序生成的典型换流阀的避雷器。

图6为程序生成的典型换流阀的阀模块。

图7为程序组装的典型换流阀整体模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本实施例提供一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：根据实际工程情况确定使用的换流阀的参数信息，包括换流阀的尺寸、材料及其力学性能等参数信息，例如材料的种类、密度、弹性模量、泊松比等；同时确定需要采用的抗震分析方法；

步骤二：通过编写Python脚本程序搭建有限元模型所需关于换流阀的建模信息，继而搭建出代码形式的有限元模型的基本结构。

步骤二中的Python脚本程序包含了建立有限元模型的所有关于换流阀的信息，它将换流阀的部件、材料、截面、属性、装配、分析步、相互作用、荷载、网格和作业等内容信息均集合到了Python脚本程序中，从而使得在步骤四中能够自动生成相应的有限元模型。

具体的，在本实施例中，步骤二通过Python脚本程序建模内容包括：采用Python脚本程序编写有限元模型中的部件模块、材料模块、截面模块、属性模块、装配模块、分析步模块、相互作用模块、荷载模块、网格模块和作业模块。

其中，对各个模块的具体编写内容如下：

(1)在部件模块中，建立换流阀的各个部件，包括底/顶屏蔽层、阀塔水管、悬吊绝缘子、避雷器、层间绝缘子、层内阀组模块、层间阀模块连接杆以及阀塔顶部吊梁等部件；

(2)在材料模块中，建立换流阀各个部件所采用的材料，并定义相应的力学性能参数，这些材料包括铝合金ZL101A、钢材Q235B、悬吊绝缘子复合材料、PVDF水管、层间绝缘子材料和避雷器瓷套管材料等；

(3)在截面模块中，建立换流阀各个部件对应的截面，包括底/顶屏蔽层工字钢截面、水管圆截面、悬吊绝缘子及层间绝缘子圆截面、避雷器圆管截面、阀塔吊梁圆截面等，并将截面赋予对应的部件；

(4)在属性模块中，添加集中质点，用于模拟换流阀内部阀模块的质量，从而将其在地震荷载作用下的惯性力加以考虑；

(5)在装配模块中，通过导入不同部件，并挪动其几何位置，建立出换流阀的整体几何模型；

(6)在分析步模块中，建立静力分析步、频谱分析步及反应谱或时程分析计算分析步；

(7)在相互作用模块中，建立换流阀各部件之间的连接，包括悬吊绝缘子与顶屏蔽层间的铰接、顶屏蔽层与层间绝缘子间的连接、层间绝缘子与阀模块及底屏蔽层间的连接、换流阀塔与避雷器及水管间的连接等；

(8)在荷载模块中，添加重力荷载、风荷载等作用，设置边界条件。

(9)在网格模块中，对各部件划分网格单元；

(10)在作业模块中，建立作业分析，设定最大内存、并行处理器个数等参数。

步骤三：运行步骤二中的Python脚本程序，并在交互式对话框中输入步骤一中确定的换流阀参数信息。

采用交互式对话框的形式能够很方便地修改换流阀相关参数信息，无需在建模过程中修改程序代码。

步骤四：采用Abaqus软件读取步骤三中输入的换流阀参数信息，通过Python脚本程序自动生成相应的有限元模型，并结合抗震分析方法对有限元模型进行抗震分析。

根据用户选择，软件对所建立的有限元模型进行反应谱或地震波时程分析。分析包括计算换流阀设备在地震作用下的响应，分析其位移和应力是否满足要求。分析换流阀所在回路的耦联体系在地震作用下的响应，得出地震作用下的最大应力及各设备间的相对位移，评估设备间的连接方式。反应谱分析可采用与工程所在地的抗震设防烈度、设计地震分组和场地类别相匹配的反应谱参数进行分析；地震波时程分析可采用天然地震波及人工合成地震波，其中人工合成地震波将具有与目标反应谱基本一致的频谱特性。通过以上抗震分析参数能够很好地模拟换流阀设备在地震作用下的响应，并为包括阀厅、换流阀、换流变及其套管在内的耦联回路体系分析提供重要数据支撑。

具体的，在本实施例中，在步骤二中调用“from abaqus import”函数编写Python脚本程序，且除特定输入参数代码外，程序中的内容用户不得随意更改。

具体的，在本实施例中，抗震分析方法选用振型分解反应谱法。

可选地，在另一个实施例中，抗震分析方法选用地震波时程分析法，那么在荷载模块中，需以边界条件的形式添加地震波加速度时程曲线。

通过以上步骤可以实现换流阀的参数化自动建模，上述方法极大地节省了模型前处理的成本，提高了有限元分析效率。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机指令，当计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述一种基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法。

下面给出一个具体的应用实例。

以典型800kV高压换流阀设备为例，该换流阀总重16760kg，其中阀塔重15500kg，避雷器重1260kg。

换流阀主要几何参数如下(如图2所示)：阀塔共6层，层间距为1250mm，悬吊绝缘子长度为8671mm，吊点间距为2.0m(X方向)和1.58m(Y方向)，避雷器吊点与阀塔吊点X方向的水平距离为2.45m。

在Python程序中写入相关模型信息，包括但不限于以下信息。

(1)以下程序为通用命令，进行了导入模块对象、导入符号常数模块以及导入交互式对话框模块的操作。

程序具体如下：

fromabaqus import*

#-*-coding:UTF-8-*-

fromabaqusConstants import*

fromabaqus import getInputs

(2)以下程序为部件的建立。以避雷器部件为例进行说明：该部分python程序通过草图和直线段循环建立了避雷器的三维梁单元模型，并将其命名为M11_Equip_4备用。其它部件如法炮制。

程序具体如下：

(3)以下程序建立了铝合金材料，其它材料同理可建立，程序共建立了6种材料用于换流阀模型。

具体程序如下：

sMat1＝sModel.Material(name＝'M11_Mat_1')

sMat1.Density(table＝((2.70e-09,),))

sMat1.Elastic(table＝((0.70e5,0.3),))

(4)以下程序为截面属性及梁单元方向指定。以悬吊绝缘子为例，对悬吊绝缘子赋予了截面属性，并指定了其梁单元方向。

具体程序如下：

s_t＝sModel.parts['M11_Equip_3'].edges

sR_t＝regionToolset.Region(edges＝s_t)

M11_Equip_3.SectionAssignment(region＝sR_t,sectionName＝'M11_Sec_3',offset＝0.0,offsetType＝MIDDLE_SURFACE,offsetField＝”,thicknessAssignment＝FROM_SECTION)

M11_Equip_3.assignBeamSectionOrientation(region＝sR_t,method＝N1_COSINES,n1＝(0.0,0.0,-1.0))

(5)以下程序对各部件进行装配。以屏蔽层为例，通过添加、移动等操作将其放置在正确的位置。

具体程序如下：

sAssembly.Instance(name＝'M11_Equip_1-1',part＝M11_Equip_1,dependent＝ON)

sAssembly.Instance(name＝'M11_Equip_1-2',part＝M11_Equip_1,dependent＝ON)

sAssembly.translate(instanceList＝('M11_Equip_1-2',),vector＝(0.0,0.0,H1))

(6)以下程序添加了反应谱法及地震波时程分析，其中时程分析采用了动力隐式分析方法，此处省略时程曲线的详细数据。实际工程中可根据实际情况选用合适的方法进行计算。

具体程序如下：

sModel.ResponseSpectrumStep(name＝'RS',previous＝'Freq',sum＝SRSS,components＝(('sRS',1.0,0.0,0.0,1.0,0.0),),directDamping＝((1,30,0.02),))

sModel.ImplicitDynamicsStep(name＝'SCFX',previous＝'Initial',timePeriod＝53.72,maxNumInc＝400000,initialInc＝0.01,minInc＝1e-08,maxInc＝0.01)

(7)以下程序为各部件中的相互作用。以顶屏蔽层与层间绝缘子间的连接为例，程序建立了相应的绑定连接。

具体程序如下：

(8)以下程序建立了网格划分，调整网格精度可影响分析结果的精度。

具体程序如下：

elemType1＝mesh.ElemType(elemCode＝B31,elemLibrary＝STANDARD)

fori in range(1,9,1):

sModel.parts['M11_Equip_'+str(i)].seedPart(size＝Lseed,deviationFactor＝0.1,minSizeFactor＝0.1)

sModel.parts['M11_Equip_'+str(i)].generateMesh()

s_t＝sModel.parts['M11_Equip_'+str(i)].edges

sR_t＝(s_t,)

sModel.parts['M11_Equip_'+str(i)].setElementType(regions＝sR_t,elemTypes＝(elemType1,))

(9)以下程序建立了作业，为抗震分析作准备。

具体程序如下：

import job

mdb.Job(name＝'Test-M11',model＝'M11',description＝”,type＝ANALYSIS,

atTime＝None,waitMinutes＝0,waitHours＝0,queue＝None,memory＝70,

memoryUnits＝PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis＝True,

explicitPrecision＝SINGLE,nodalOutputPrecision＝SINGLE,echoPrint＝OFF,

modelPrint＝OFF,contactPrint＝OFF,historyPrint＝OFF,userSubroutine＝”,

scratch＝”,parallelizationMethodExplicit＝DOMAIN,numDomains＝6,

activateLoadBalancing＝False,multiprocessingMode＝DEFAULT,numCpus＝6)

图3展示了运行以上Python程序后的交互式对话框，在该对话框中输入或修改相应的参数，从而达到参数化建模的目的。

图4～图6为运行程序后建立的换流阀部件，此处展示了顶/底屏蔽层(图4)、避雷器(图5)、阀模块(图6)。

图7为运行程序后生成的换流阀整体模型，可直接用于抗震分析。

以上程序建立了完整的换流阀分析模型，包括用于抗震分析的反应谱法及时程分析法，为抗震计算的建模工作提供了极大的方便。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，其特征在于，包括：

步骤一：根据实际工程情况确定使用的换流阀的参数信息，同时确定需要采用的抗震分析方法；

步骤二：通过编写Python脚本程序搭建有限元模型所需的建模信息，继而搭建出代码形式的有限元模型的基本结构；

步骤三：运行步骤二中的Python脚本程序，并向Python脚本程序输入步骤一中确定的换流阀参数信息；

步骤四：采用Abaqus软件读取步骤三中输入的换流阀参数信息，通过Python脚本程序自动生成相应的有限元模型，并结合抗震分析方法对有限元模型进行抗震分析。

2.根据权利要求1所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，其特征在于，所述步骤二中调用“from abaqus import”函数编写Python脚本程序。

3.根据权利要求1或2所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，其特征在于，所述步骤二包括：采用Python脚本程序编写有限元模型中的部件模块、材料模块、截面模块、属性模块、装配模块、分析步模块、相互作用模块、荷载模块、网格模块和作业模块；

其中，在所述部件模块中，建立换流阀的各个部件；

在所述材料模块中，建立换流阀各个部件所采用的材料，并定义相应的力学性能参数；

在所述截面模块中，建立换流阀各个部件对应的截面，并将这些截面赋予给对应的换流阀部件；

在所述属性模块中，添加集中质点，用于模拟换流阀内部阀模块的质量；

在所述装配模块中，通过导入不同部件，并挪动其几何位置，建立出换流阀的整体几何模型；

在所述分析步模块中，建立静力分析步、频谱分析步及反应谱或时程分析计算分析步；

在所述相互作用模块中，建立换流阀各部件之间的连接；

在所述荷载模块中，添加重力荷载和风荷载，并设置边界条件；

在所述网格模块中，对各个部件划分网格单元；

在所述作业模块中，建立作业分析，设定最大内存和并行处理器个数。

4.根据权利要求3所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法，其特征在于，在所述部件模块中建立的换流阀的各个部件，具体包括：底/顶屏蔽层、阀塔水管、悬吊绝缘子、避雷器、层间绝缘子、层内阀组模块、层间阀模块连接杆以及阀塔顶部吊梁。

5.根据权利要求3所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法，其特征在于，在所述材料模块中建立的换流阀各个部件所采用的材料，具体包括：铝合金ZL101A、钢材Q235B、悬吊绝缘子复合材料、PVDF水管、层间绝缘子材料和避雷器瓷套管材料。

6.根据权利要求3所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法，其特征在于，在所述截面模块中建立的换流阀各个部件对应的截面，具体包括：底/顶屏蔽层工字钢截面、水管圆截面、悬吊绝缘子及层间绝缘子圆截面、避雷器圆管截面、阀塔吊梁圆截面。

7.根据权利要求3所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法，其特征在于，在所述相互作用模块中建立的换流阀各个部件之间的连接，具体包括：悬吊绝缘子与顶屏蔽层间的铰接、顶屏蔽层与层间绝缘子间的连接、层间绝缘子与阀模块及底屏蔽层间的连接、以及换流阀塔与避雷器及水管间的连接。

8.根据权利要求1所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，其特征在于，所述步骤三中，采用交互式对话框的形式向Python脚本程序输入步骤一中确定的换流阀参数信息。

9.根据权利要求1所述的基于Python的换流阀抗震分析Abaqus参数化建模方法及存储介质，其特征在于，所述抗震分析方法包括振型分解反应谱法和地震波时程分析法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。

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