CN115358131B - 一种绝缘子的设计方法、装置、存储介质及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝缘子的设计方法、装置、存储介质及系统。通过水平集拓扑优化方法求得第一材料和第二材料的填充材料边界结果，在功能介电梯度的基础上，综合考虑电场利用率、损耗功率以及时间常数以确定最佳非线性参数，从而获取最佳非线性涂层方案，并根据填充材料边界结果以及最佳非线性涂层方案对绝缘子进行设计，该方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了绝缘子的适用性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘子的设计技术领域，尤其涉及一种绝缘子的设计方法、装置、计算机可读存储介质及系统。
背景技术
超高压输电系统中广泛使用的环氧基绝缘子起到隔离气室和支撑高压导体的作用。绝缘子的绝缘性能决定了GIS的安全性和稳定性。但研究发现，绝缘子及周围的电场集中可能会引起击穿或沿面闪络，这限制了超高压输电系统的发展和应用。在DC-GIS的实际运行中，由于工作条件多变，包括直流稳态和几种瞬态（例如直流浪涌、直流极性反转和直流叠加脉冲电压），绝缘子及绝缘子周围的电场是复杂的，可能有局部电应力集中，造成绝缘子击穿，沿面闪络等事故。在雷电过电压活操作过电压等瞬态电压作用下，介电常数功能梯度材料(ε-FGM)可有效降低绝缘子附近的最大电场；非线性导电材料可以自适应调节直流电压下的电场分布，在直流电力设备中展现出巨大的应用潜力。
在现有技术中，通常通过变密度拓扑优化方法进行了介电分布优化，调整绝缘内部的相对介电常数空间分布以实现沿面电场的调控，实现了绝缘结构整体的优化设计。
但是，现有技术仍存在如下缺陷：现有绝缘子的作用存在局限性，其只能在单一电场下起作用，对于直流导通状态（指导通时的暂态状态）、直流极性反转、直流叠加与开关脉冲电压等电压形式不能通用；而现有变密度拓扑优化方法容易出现不同介电材料分界不清晰，出现“棋盘格”现象。
因此，当前需要一种绝缘子的设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而克服现有技术中存在的上述缺陷。
发明内容
本发明实施例提供一种绝缘子的设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而提升绝缘子的适用性和稳定性。
本发明一实施例提供一种绝缘子的设计方法，所述设计方法包括：获取待设计绝缘子的设计参数组；所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数；根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果；通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案；所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件；根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
作为上述方案的改进，根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果，具体包括：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果。
作为上述方案的改进，通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案，具体包括：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案。
作为上述方案的改进，根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解，具体包括：获取预设的水平集方程，并根据预设的性能目标函数获取对应的灵敏度公式；根据所述性能目标函数、所述灵敏度公式、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及所述水平集方程，获取第一水平集方程；根据预设的数值分析方法对所述第一水平集方程进行求解以获取水平集方程解；根据所述水平集方程解以及预设的水平集函数，确定材料边界解。
作为上述方案的改进，所述水平集方程为：
；式中，t是时间，
c是扩散系数,Vn是速度矢量的法向分量。
作为上述方案的改进，所述性能目标函数为：
；式中，Ω1为高
介电材料填充区域。
作为上述方案的改进，所述电导与电场非线性函数为：
；式中，
Et是切向电场强度(kV/mm)；b是非线性电场相关系数(mm/kV)；α是低施加电场下的欧姆电
导率(S/m)。
本发明另一实施例对应提供了一种绝缘子的设计装置，所述设计装置包括参数获取单元、边界计算单元、涂层确定单元以及设计输出单元，其中，所述参数获取单元用于获取待设计绝缘子的设计参数组；所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数；所述边界计算单元用于根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果；所述涂层确定单元用于通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案；所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件；所述设计输出单元用于根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
作为上述方案的改进，所述边界计算单元还用于：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果。
作为上述方案的改进，所述涂层确定单元还用于：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案。
作为上述方案的改进，所述边界计算单元还用于：获取预设的水平集方程，并根据预设的性能目标函数获取对应的灵敏度公式；根据所述性能目标函数、所述灵敏度公式、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及所述水平集方程，获取第一水平集方程；根据预设的数值分析方法对所述第一水平集方程进行求解以获取水平集方程解；根据所述水平集方程解以及预设的水平集函数，确定材料边界解。
本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的绝缘子的设计方法。
本发明另一实施例提供了一种绝缘子的设计系统，所述设计系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的绝缘子的设计方法。
与现有技术相比，本技术方案存在如下有益效果：
本发明提供了一种绝缘子的设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，通过水平集拓扑优化方法求得第一材料和第二材料的填充材料边界结果，在功能介电梯度的基础上，综合考虑电场利用率、损耗功率以及时间常数以确定最佳非线性参数，从而获取最佳非线性涂层方案，并根据填充材料边界结果以及最佳非线性涂层方案对绝缘子进行设计，该方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了绝缘子的适用性和稳定性。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种绝缘子的设计方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种绝缘子的设计装置的结构示意图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例一
本发明实施例首先描述了一种绝缘子的设计方法。图1是本发明一实施例提供的一种绝缘子的设计方法的流程示意图。
如图1所示，所述绝缘子的设计方法包括：
S1:获取待设计绝缘子的设计参数组。
在对绝缘子进行设计时，首先构建一个设计参数组，从而首先确定优化区域以及材料介电常数。由于绝缘子多为轴对称结构，采用二维轴对称模型即可描述其完整结构。同时，为了提高计算效率，在不影响计算准确性的基础上对绝缘子的接地屏蔽、法兰等一些细节部分进行简化。
所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数。
S2:根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果。
在进行绝缘子设计时，为了解决现有技术中存在的“棋盘格”现象，本发明实施例采用水平集拓扑优化方法以清晰地找到不同介电材料（本文中描述为“第一材料”和“第二材料”，示例但不限制性地，“第一材料”为高介电材料，介电常数记为ε1，“第二材料”为低介电材料，介电常数为ε2）的分界。
首先确定水平集方程以及目标函数对应的灵敏度公式，随后，通过灵敏度公式确认优化的搜索方向，并沿着该方向根据目标函数求得水平集方程的最优解（在此过程中将不断进行迭代计算，直到满足条件时才退出）。
在一个实施例中，根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果，具体包括：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果。所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界。
水平集方法的基本思想是域及其边界用连续函数的所谓水平集函数表示。通过该函数的变形来跟踪边界变化，改变设计边界以最大化形状优化问题的目标函数。当使用水平集方法演进系统形状时，水平集函数ϕ（x）标识区域及边界。其中，∂Ω（ϕ（x）=0）表示边界，是拓扑和形状优化问题中的设计变量。边界的变化可以由以下水平集方程中确定：
其中t是时间，c是扩散系数,Vn是速度矢量的法向分量。水平集公式具体地描述水平集函数Ф随时间t和法向速度 Vn的变化过程。
边界上的速度场是利用材料导数概念和伴随变量技术，通过连续介质灵敏度分析的形状导数获得的。对应目标函数F，相应的灵敏度公式为：
其中，
目标函数F对时间的导数，V1表示高介电材料区域的电位，V2表示低介电材
料区域的电位。γ是设计变量定义的区域，即ϕ（x）=0。
灵敏度公式表达了目标函数与速度场之间的关系，根据灵敏度公式可以计算优化的搜索方向。
为了在高压系统中设计介电材料以保护其免受击穿，优化目标为最大化目标函数F。随着优化的进行，高介电材料移动到电场强的地方。因此，可以提高所设计系统的绝缘强度。对于目标函数F及相应的灵敏度公式，设计变量附近的速度场法向分量Vn确定为：
此时，将速度场法向分量式代入水平集方程，即获得完整的水平集方程（本文描述为“第一水平集方程”）。在获得完整水平集方程后，即根据预设的数值分析方法求得最优边界解（本文中描述为“材料边界解”）。
在一个实施例中，根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解，具体包括：获取预设的水平集方程，并根据预设的性能目标函数获取对应的灵敏度公式；根据所述性能目标函数、所述灵敏度公式、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及所述水平集方程，获取第一水平集方程；根据预设的数值分析方法对所述第一水平集方程进行求解以获取水平集方程解；根据所述水平集方程解以及预设的水平集函数，确定材料边界解。
在确定材料边界解后，根据得到的零水平集(ϕ（x）=0)确定高介电材料和低介电材料的边界，分别在边界内区域填充有高介电材料，边界外填充低介电材料；利用有限元分析方法，仿真计算得到目标函数值（本文中描述为“性能评估值”），并判断是否满足退出迭代条件（即，迭代收敛）。
迭代收敛条件一般分为两种：（1）迭代次数上限的限定，一般取200次；（2）优化结果与相邻迭代结果的差值限定，当两次迭代计算得到的F值小于0.01，退出迭代。在满足约束条件（2）的前提下，在优化区域内随机设置一高介电区域的初始边界，经过计算得到初始目标函数结果。
若满足迭代条件，退出迭代，否则重复前述数值分析步骤以更新水平集方程的解（材料边界解），再进行分析迭代计算，直至满足迭代收敛条件。当迭代结束后，得到的零水平集即为高介电材料和低介电材料分布的边界，为最终拓扑优化结果（即，填充材料边界结果）。
在一个实施例中，所述性能目标函数为：
式中，Ω1为高介电材料填充区域，Ω为区域边界。在优化过程中，Ω1的面积通过恒定面积的约束稳定地保持，表示为：
其中，S*表示高介电材料填充区域的面积，为一常数，可根据具体情况确定。H（ϕ）Heaviside函数，定义为：
其中，ϕ（x）为预设的水平集函数的隐函数，对于具有任意边界的给定区域，定义为：
式中，Ω+，Ω-分别表示边界内和边界外。
S3:通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案。
在一个实施例中，通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案，具体包括：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案。
其中，预设的有限元分析方法可以通过有限元分析软件执行，预设的涂层厚度为0.1mm。
在一个实施例中，所述电导与电场非线性函数为：
式中，Et是切向电场强度(kV/mm)；b是非线性电场相关系数(mm/kV)；α是低施加电场下的欧姆电导率(S/m)。
在一个实施例中，非线性电场相关系数和低施加电场下的欧姆电导率之间可通过非线性系数获取公式来描述函数关系：
其中，σ为欧姆电电导率(S/m)。
在进行非线性电导涂层设计时，本发明实施例至少考虑了电场利用率、损耗功率以及时间常数。
其中，电场利用率越高越好，在电场调控“饱和临界线”外，即f<0.9;损耗功率越小越好；而时间常数定义为当绝缘子遭受非稳态电压时，电场从最大值下降90%需要的时间，根据不同情况，时间常数要求不同（例如在仿真模型中模拟极性反转，极性反转时间通常控制在2分钟以内，此时要求电压降低90%的时间小于10S）。
其中，f=Eav/Emax；其中，Eav为平均场强、Emax为最大场强。
S4：根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件。
本发明实施例描述了一种绝缘子的设计方法，通过水平集拓扑优化方法求得第一材料和第二材料的填充材料边界结果，在功能介电梯度的基础上，综合考虑电场利用率、损耗功率以及时间常数以确定最佳非线性参数，从而获取最佳非线性涂层方案，并根据填充材料边界结果以及最佳非线性涂层方案对绝缘子进行设计，该设计方法提升了绝缘子的适用性和稳定性。
具体实施例二
除上述方法外，本发明实施例还公开了一种绝缘子的设计装置。图2是本发明一实施例提供的一种绝缘子的设计装置的结构示意图。
如图2所示，所述设计装置包括参数获取单元、边界计算单元、涂层确定单元以及设计输出单元。
参数获取单元11用于获取待设计绝缘子的设计参数组；所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数。
边界计算单元12用于根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果。
在一个实施例中，边界计算单元12还用于：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果。
在一个实施例中，边界计算单元12还用于：获取预设的水平集方程，并根据预设的性能目标函数获取对应的灵敏度公式；根据所述性能目标函数、所述灵敏度公式、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及所述水平集方程，获取第一水平集方程；根据预设的数值分析方法对所述第一水平集方程进行求解以获取水平集方程解；根据所述水平集方程解以及预设的水平集函数，确定材料边界解。
涂层确定单元13用于通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案。所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件。
在一个实施例中，涂层确定单元13还用于：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案。
设计输出单元14用于根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
其中，所述设计装置集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的绝缘子的设计方法。
其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，单元之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例描述了一种绝缘子的设计装置及计算机可读存储介质，通过水平集拓扑优化方法求得第一材料和第二材料的填充材料边界结果，在功能介电梯度的基础上，综合考虑电场利用率、损耗功率以及时间常数以确定最佳非线性参数，从而获取最佳非线性涂层方案，并根据填充材料边界结果以及最佳非线性涂层方案对绝缘子进行设计，该设计装置及计算机可读存储介质提升了绝缘子的适用性和稳定性。
具体实施例三
除上述方法和装置外，本发明实施例还描述了一种绝缘子的设计系统。
所述设计系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的绝缘子的设计方法。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（FlashCard）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明实施例描述了一种绝缘子的设计系统，通过水平集拓扑优化方法求得第一材料和第二材料的填充材料边界结果，在功能介电梯度的基础上，综合考虑电场利用率、损耗功率以及时间常数以确定最佳非线性参数，从而获取最佳非线性涂层方案，并根据填充材料边界结果以及最佳非线性涂层方案对绝缘子进行设计，该设计系统提升了绝缘子的适用性和稳定性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种绝缘子的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
获取待设计绝缘子的设计参数组；所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数；
根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果；根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果，具体包括：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果；
通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案；所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件；通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案，具体包括：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案；
根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
2.根据权利要求1所述的绝缘子的设计方法，其特征在于，根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解，具体包括：
获取预设的水平集方程，并根据预设的性能目标函数获取对应的灵敏度公式；
根据所述性能目标函数、所述灵敏度公式、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及所述水平集方程，获取第一水平集方程；
根据预设的数值分析方法对所述第一水平集方程进行求解以获取水平集方程解；
根据所述水平集方程解以及预设的水平集函数，确定材料边界解。
3.根据权利要求1所述的绝缘子的设计方法，其特征在于，所述水平集方程为：
式中，t是时间，c是扩散系数,Vn是速度矢量的法向分量，Ф为水平集函数。
4.根据权利要求1所述的绝缘子的设计方法，其特征在于，所述性能目标函数为：
式中，Ω1为高介电材料填充区域，E(x)为电场强度，Ω为区域边界。
5.根据权利要求1所述的绝缘子的设计方法，其特征在于，所述电导与电场非线性函数为：
式中，Et是切向电场强度(kV/mm)；b是非线性电场相关系数(mm/kV)；α是低施加电场下的欧姆电导率(S/m)。
6.一种绝缘子的设计装置，其特征在于，所述设计装置包括参数获取单元、边界计算单元、涂层确定单元以及设计输出单元，其中，
所述参数获取单元用于获取待设计绝缘子的设计参数组；所述设计参数组包括结构参数组、第一材料的第一材料介电常数以及第二材料的第二材料介电常数；
所述边界计算单元用于根据预设的水平集方程、预设的数值分析方法、预设的性能目标函数、预设的有限元计算方法、所述设计参数组、预设的迭代优化方法以及预设的水平集函数，迭代计算填充材料边界结果；所述边界计算单元还用于：根据预设的水平集方程、预设的性能目标函数、预设的数值分析方法、所述结构参数组、所述第一材料介电常数、所述第二材料介电常数以及预设的水平集函数，计算所述待设计绝缘子的材料边界解；所述材料边界解为所述第一材料与所述第二材料的填充边界；通过预设的有限元计算方法，根据预设的性能目标函数、所述结构参数组、所述第一材料介电常数以及所述第二材料介电常数，计算各个材料边界解对应的性能评估值；根据所述性能评估值以及预设的迭代优化方法，判断所述性能评估值是否满足迭代退出条件，并在所述性能评估值满足迭代退出条件时，将所述材料边界解输出为填充材料边界结果；
所述涂层确定单元用于通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案；所述涂层约束条件组包括电场利用率约束条件、损耗功率约束条件以及时间常数约束条件；所述涂层确定单元还用于：通过预设的有限元分析方法，根据预设的电导与电场非线性函数以及涂层约束条件组，获取最佳非线性涂层方案，具体包括：通过预设的有限元分析方法以及预设的涂层厚度，模拟构建非线性涂层，并仿真获取所述非线性涂层的导电数据组；所述导电数据组包括欧姆电导率以及切向电场强度；通过预设的非线性系数获取公式，根据所述欧姆电导率以及所述切向电场强度，计算非线性电场相关系数；根据所述欧姆电导率、非线性电场相关系数以及预设的电导与电场非线性函数，计算在所述涂层约束条件组下的最佳非线性涂层方案；
所述设计输出单元用于根据所述填充材料边界结果以及所述最佳非线性涂层方案，对所述待设计绝缘子进行设计。
7.一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包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至5中任意一项所述的绝缘子的设计方法。
8.一种绝缘子的设计系统，其特征在于，所述设计系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任意一项所述的绝缘子的设计方法。
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