CN116720392A - 一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统，包括固体力学模块一：用于模拟固化前的导线三点弯曲；热传导模块：用于模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；固体动力学模块：用于结合域常微分方程、微分‑代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；固体力学模块二：模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值和模拟计算粘接强度；仿真结果分析模块：计算固化系数和计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。可以提取导线的材料属性和几何参数设置为变量，分析时只需改变输入的变量值，利用仿真软件就能自动完成数值模拟不同种类导线的抗弯强度计算。
Description
技术领域
本发明涉及变压器自粘换位导线抗弯强度分析技术领域，尤其是一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统。
背景技术
变压器抗短路能力不足是造成设备短路损坏的主要原因，具体表现如多次短路电流冲击、绕组导线间未完全固化等。绕组在短路电流的冲击作用下抗短路能力逐渐下降，可能出现弯曲变形，甚至导致绝缘损伤。自粘换位导线能承受更大的弯曲应力，应用于电力变压器中能够有效增强绕组的机械稳定性，提高变压器绕组的抗短路能力。
现有文献大多是通过试验研究变压器自粘换位导线在具体某一温度数值下的粘接强度和抗弯强度。事实上，变压器的运行温度并不是一直稳定，随着温度升高，导线的粘接性能的变化会导致抗弯强度改变，且现有试验未能考虑到变压器在实际运行中不同温度下导线抗弯强度变化的问题，由于时间和试验成本高昂，无法对所有型号的导线进行三点弯曲试验，故现有常规试验研究不能准确反映任意不同温度对自粘换位导线抗弯强度的影响。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是现有常规试验研究不能准确反映任意不同温度对自粘换位导线抗弯强度的影响问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统，包括，
S1：设定初始热固化工艺条件，应用到所述自粘换位导线的热固化中得到粘接强度和抗弯强度实测值；
S2：根据自粘换位导线的设计要求，建立所述自粘换位导线物理模型；
S3：将S1中获得的实时工艺参数输入所述S2建立的物理模型，通过外部测量辅助建立多物理场仿真系统，利用温度-固体力学多物理场耦合仿真方法对模型进行仿真，获得模型的固化变形情况、仿真粘接强度计算结果和仿真抗弯强度；
S4：将S3中获得的仿真粘接强度、仿真抗弯强度与S1中获得的粘接强度和抗弯强度实测值进行对比分析，判断二者误差是否小于预设要求值，若是，执行S5，否则，调整仿真系统边界条件，并返回S3；
S5：基于上述仿真系统建立自粘换位导线抗弯强度计算的参数化模型。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：在室温下、根据变压器运行的不同环境温度，在拉力试验机上对固化后的自粘换位导线试样进行不同温度的拉断试验；
计算不同温度下的拉断力与搭接面积的比值即为粘接强度，比较不同温度下导线粘结强度的变化。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：抗弯强度实测值获取方法具体为：
室温下、不同温度保温1h后检测；
根据不同温度固化前后得到的力-挠度曲线，绘制不同温度下的应力与挠度曲线图，试验结果取平均值，从而获取抗弯强度数值。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：仿真粘接强度计算方式为：在有限元模型中均采用位移加载方式加载。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：仿真抗弯强度的计算方式为：
模拟固化前的导线三点弯曲；
模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值；
计算固化系数；
计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：模拟固化前的导线三点弯曲具体为：
搭建三点弯曲仿真模型，按照材料力学的原理，仿真时将换位导线的弯曲当作简支梁分析，当导线应力不超过比例极限时，挠度f取决于导线的弯曲刚度作用力F、试验跨距L和弯曲刚度EI；
通过仿真结果得到未固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔFnh，以及未固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δfnh，进而通过计算得到未固化样品导线在室温下的力与挠度的比值Tnh
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：模拟计算不同温度下固化后的导线力与挠度的比值具体为：
通过建立三点弯曲仿真模型，仿真得到固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔF，以及固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δf，进而通过计算得到固化样品导线在目标温度下的力与挠度的比值T
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：计算固化系数具体为：
化系数n定义为变压器绕组线固化后相比于固化前的抗弯能力提高倍数
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算方法的一种优选方案，其中：
计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度具体为：
对于自粘导线需考虑自粘漆的粘结因素，故在弯曲应力计算中应使用固化系数进行折算，导线所承受的幅向弯曲应力，即抗弯强度为
其中，fr为线饼导线单位长度上受到的幅向力；
l为两撑条间的线饼长度；
h和b分别为单根导线的轴向和幅向尺寸；
n为固化系数。
作为本发明所述自粘换位导线抗弯强度计算系统的一种优选方案，其中：参数输入模块：用于输入实时工艺参数；
固体力学模块一：用于模拟固化前的导线三点弯曲；
热传导模块：用于模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
固体动力学模块：用于结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
固体力学模块二：模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值和模拟计算粘接强度；
仿真结果分析模块：计算固化系数和计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
本发明的有益效果：可以提取导线的材料属性和几何参数设置为变量，分析时只需改变输入的变量值，利用仿真软件就能自动完成数值模拟不同种类导线的抗弯强度计算；还可以通过调整基于数据驱动仿真模型的边界条件来模拟导线固化、粘接强度、抗弯强度的不同试验条件，模拟不同温度下导线的抗弯强度计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的一种实施例所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种实施例所述的自粘换位导线抗弯强度计算系统的结构框图；
图3为本发明提供的一种实施例所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统中导线抗弯强度计算的几何仿真模型。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，本实施例提供了一种自粘换位导线抗弯强度计算方法。
S1：取带有圆角的长方形导体，导体表面涂覆底漆后放入立式漆包烘炉进行烘烤固化，设定初始热固化工艺条件，应用到所述自粘换位导线的热固化中得到粘接强度和抗弯强度实测值；
S2：根据自粘换位导线的设计要求，建立所述自粘换位导线物理模型，同时输入导线、自粘漆的性能参数，包括密度、泊松比、弹性模量、比热容、热传递系数；
S3：将S1中获得的实时工艺参数输入所述S2建立的物理模型，通过外部测量辅助建立多物理场仿真系统，利用温度-固体力学多物理场耦合仿真方法对模型进行仿真，获得模型的固化变形情况、仿真粘接强度计算结果和仿真抗弯强度；
S4：将S3中获得的仿真粘接强度、仿真抗弯强度与S1中获得的粘接强度和抗弯强度实测值进行对比分析，判断二者误差是否小于预设要求值，若是，执行S5，否则，调整仿真系统边界条件，并返回S3；
S5：基于上述仿真系统建立自粘换位导线抗弯强度计算的参数化模型，根据不同的固化、设计要求，提取需要参数化的物理参数、几何参数及调整基于数据驱动的仿真模型中的边界条件，从而实现不同温度下、不同型号自粘换位导线抗弯强度的动态计算。
其中物理参数包括：包括密度、泊松比、弹性模量、比热容、热传递系数，几何参数包括：长度、宽度和厚度，并针对需要参数化的物理参数、几何参数进行各自对应的取值，得到每一个参数扫描方案对应的仿真结果。
粘接强度试验具体为：
在室温(20℃)、变压器运行环境温度(90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、120℃)，在拉力试验机上对固化后的自粘换位导线试样进行不同温度的拉断试验，拉伸速度为1cm/min。计算不同温度下的拉断力与搭接面积的比值即为粘接强度，比较不同温度下导线粘结强度的变化。
抗弯强度实测值获取方法具体为：
室温(20℃)时检测、90℃时保温1h后检测、95℃保温1h后检测、100℃保温1h后检测、105℃保温1h后检测、110℃保温1h后检测、120℃保温1h后检测，所用压头半径5mm，支撑跨度10cm，试验速度1cm/min，最小挠度5mm；根据不同温度固化前后得到的力-挠度曲线，绘制不同温度下的应力与挠度曲线图，试验结果取平均值，从而获取抗弯强度数值。
仿真粘接强度计算方式为：在有限元模型中均采用位移加载方式加载；因为自粘漆的断裂为脆性断裂，其在拉伸载荷作用下直到断裂其位移值也比较小，采用较小的增量步，可以较准确的记录加载过程中单元的微小应力应变的变化。
仿真抗弯强度的计算方式为：
模拟固化前的导线三点弯曲；
模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值；
计算固化系数；
计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
模拟固化前的导线三点弯曲具体为：
搭建三点弯曲仿真模型，按照材料力学的原理，仿真时将换位导线的弯曲当作简支梁分析，当导线应力不超过比例极限时，挠度f取决于导线的弯曲刚度作用力F、试验跨距L和弯曲刚度EI；
通过仿真结果得到未固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔFnh，以及未固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δfnh，进而通过计算得到未固化样品导线在室温下的力与挠度的比值Tnh
模拟计算不同温度下固化后的导线力与挠度的比值具体为：
通过建立三点弯曲仿真模型，仿真得到固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔF，以及固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δf，进而通过计算得到固化样品导线在目标温度下的力与挠度的比值T
计算固化系数具体为：
化系数n定义为变压器绕组线固化后相比于固化前的抗弯能力提高倍数
计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度具体为：
对于自粘导线需考虑自粘漆的粘结因素，故在弯曲应力计算中应使用固化系数进行折算，导线所承受的幅向弯曲应力，即抗弯强度为
其中，fr为线饼导线单位长度上受到的幅向力；
l为两撑条间的线饼长度；
h和b分别为单根导线的轴向和幅向尺寸；
n为固化系数。
本发明为一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统。在数据驱动的环境下，充分利用模型和数据协同的技术，根据构建自粘换位导线固化的物理模型，通过仿真分析、调整参数等技术手段，实现不同温度下同温度下自粘换位导线抗弯强度计算模型；根据实时采集的数据，通过虚实交互反馈，验证模型的可靠性，基于模型改变温度或者材料参数，最终实现不同温度下自粘换位导线抗弯强度的动态计算，达到提高检验效率、节约试验成本的目的，对评价自粘换位导线固化后的性能，以及变压器绕组承受短路能力的理论评估有一定的意义。
对比于前人通过试验研究导线固化及抗弯强度，本发明的有益效果重点体现在可以提取导线的材料属性和几何参数设置为变量，分析时只需改变输入的变量值，利用仿真软件就能自动完成数值模拟不同种类导线的抗弯强度计算；还可以通过调整基于数据驱动仿真模型的边界条件来模拟导线固化、粘接强度、抗弯强度的不同试验条件，模拟不同温度下导线的抗弯强度计算。
通过改变参数数值，快速分析不同参数下的模型变化情况，是对本基于数据驱动的不同温度下自粘换位导线抗弯强度计算模型的简单二次开发，可以大大提高计算和分析效率，实现不同温度下、不同种类导线的抗弯强度计算。
实施例2
参照图2，为本发明的第二个实施例，基于上一个实施例，本实施例提供了一种自粘换位导线抗弯强度计算系统的实施方式。
参数输入模块：用于输入实时工艺参数；
设置材料的材料热物理性能参数、固化速率、初始温度、升温温度、降温温度、保温温度、初始固化度，以及升温时间、降温时间和保温时间；输出结束温度和固化度。参数输入模块的参数来源于S2中获得的实时工艺数据。
固体力学模块一：用于模拟固化前的导线三点弯曲；
热传导模块：用于模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
固体动力学模块：用于结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
固体力学模块二：模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值和模拟计算粘接强度；
仿真结果分析模块：计算固化系数和计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
本系统结合仿真模型及试验数据，把实测数据融合到仿真系统中，实现不同温度下自粘换位导线抗弯强度的动态计算，减少试验时间和高昂的试验成本。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：包括，
S1：设定初始热固化工艺条件，应用到所述自粘换位导线的热固化中得到粘接强度和抗弯强度实测值；
S2：根据自粘换位导线的设计要求，建立所述自粘换位导线物理模型；
S3：将S1中获得的实时工艺参数输入所述S2建立的物理模型，通过外部测量辅助建立多物理场仿真系统，利用温度-固体力学多物理场耦合仿真方法对模型进行仿真，获得模型的固化变形情况、仿真粘接强度计算结果和仿真抗弯强度；
S4：将S3中获得的仿真粘接强度、仿真抗弯强度与S1中获得的粘接强度和抗弯强度实测值进行对比分析，判断二者误差是否小于预设要求值，若是，执行S5，否则，调整仿真系统边界条件，并返回S3；
S5：基于上述仿真系统建立自粘换位导线抗弯强度计算的参数化模型。
2.根据权利要求1所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：粘接强度试验具体为：
在室温下、根据变压器运行的不同环境温度，在拉力试验机上对固化后的自粘换位导线试样进行不同温度的拉断试验；
计算不同温度下的拉断力与搭接面积的比值即为粘接强度，比较不同温度下导线粘结强度的变化。
3.根据权利要求2所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：抗弯强度实测值获取方法具体为：
室温下、不同温度保温1h后检测；
根据不同温度固化前后得到的力-挠度曲线，绘制不同温度下的应力与挠度曲线图，试验结果取平均值，从而获取抗弯强度数值。
4.根据权利要求3所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：仿真粘接强度计算方式为：在有限元模型中均采用位移加载方式加载。
5.根据权利要求4所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：仿真抗弯强度的计算方式为：
模拟固化前的导线三点弯曲；
模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值；
计算固化系数；
计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
6.根据权利要求5所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：模拟固化前的导线三点弯曲具体为：
搭建三点弯曲仿真模型，按照材料力学的原理，仿真时将换位导线的弯曲当作简支梁分析，当导线应力不超过比例极限时，挠度f取决于导线的弯曲刚度作用力F、试验跨距L和弯曲刚度EI；
通过仿真结果得到未固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔFnh，以及未固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δfnh，进而通过计算得到未固化样品导线在室温下的力与挠度的比值Tnh
7.根据权利要求4～6任一所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：模拟计算不同温度下固化后的导线力与挠度的比值具体为：
通过建立三点弯曲仿真模型，仿真得到固化样品导线在目标温度下所选线性段被施加的力差值ΔF，以及固化样品导线在目标温度下所选线性段的挠度差值Δf，进而通过计算得到固化样品导线在目标温度下的力与挠度的比值T
8.根据权利要求7所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：计算固化系数具体为：
化系数n定义为变压器绕组线固化后相比于固化前的抗弯能力提高倍数
9.根据权利要求8所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于：计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度具体为：
对于自粘导线需考虑自粘漆的粘结因素，故在弯曲应力计算中应使用固化系数进行折算，导线所承受的幅向弯曲应力，即抗弯强度为
其中，fr为线饼导线单位长度上受到的幅向力；
l为两撑条间的线饼长度；
h和b分别为单根导线的轴向和幅向尺寸；
n为固化系数。
10.一种自粘换位导线抗弯强度计算系统，基于权利要求1～9所述的自粘换位导线抗弯强度计算方法，其特征在于，包括：
参数输入模块：用于输入实时工艺参数；
固体力学模块一：用于模拟固化前的导线三点弯曲；
热传导模块：用于模拟自粘漆树脂固化过程，建立温度场仿真；
固体动力学模块：用于结合域常微分方程、微分-代数方程组，基于温度场条件，求解不同温度下的固化程度和固化速率；
固体力学模块二：模拟计算不同温度下固化后的力与挠度的比值和模拟计算粘接强度；
仿真结果分析模块：计算固化系数和计算考虑不同温度下固化系数的导线抗弯强度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310533349.0A CN116720392A (zh) | 2023-05-12 | 2023-05-12 | 一种自粘换位导线抗弯强度计算方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| CN116720392A true CN116720392A (zh) | 2023-09-08 |
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-
2023
- 2023-05-12 CN CN202310533349.0A patent/CN116720392A/zh active Pending
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