一种换流变分接开关振动建模方法与流程

1.本发明涉及一种换流变分接开关振动建模方法。


背景技术：

2.绝大多数振动结构都可离散成为有限个自由度系统，又称为多自由度系统。对一个有n个自由度的振动系统，需用n个独立的物理坐标描述其物理参数模型。在线性范围内，物理坐标系中的自由振动响应为n个主振动的叠加，每个主振动都是一种特定形态的自由振动，振动频率即系统的主频率(固有频率或阻尼固有频率)，振动形态即系统的主振型(模态)，对应的每个阻尼系统的主振动有响应的模态阻尼。因此，n自由度系统有n个主频率和n个主振型以及n 个模态阻尼。对于无阻尼和比例阻尼系统，表示系统主振型的模态矢量是实数矢量，故称为实模态系统，相应的模态分析过程称为实模态分析。
3.对于大型复杂结构而言，过于细化的有限元模型的计算规模不仅导致计算成本过大，而且对计算机硬件配置要求较高，既费时又费力。实际上，在工程应用中，有限元模型并没必要无限细化来提高预测精度，因为大量的研究发现，随着模型自由度的不断增加，有限元模型的计算结果逐渐趋于收敛，继续细化模型增加模型自由度所带来的收益可能会迅速减小，并且还会消耗大量的计算资源。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是一种能够解决上述问题的换流变分接开关振动建模方法，通过三维激光扫描和逆向几何建模技术获得切换开关的精确几何模型，对开关装配体进行连接件的建模，主要建立了模拟螺纹连接的刚性约束节点耦合连接模型以及模拟螺旋圆柱弹簧的一维线性弹簧单元模型，采用切换开关装配边界的位移约束来模拟切换开关的实际工况。切换开关整体装配有限元超模型规模达到了6084714个自由度，既具有很高的计算精度，又控制了计算的规模，相对于非常细化的有限元模型，又具有一定的计算效率。
5.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种换流变分接开关振动建模方法，建立有载分接开关各部件以及整体的有限元模型，具体步骤如下：
6.s1、建立几何模型——根据3d激光扫描的实测几何数据，建立有载分接开关各部件以及整体的三维几何模型；
7.s2、有限元模型的建立——选择合适的材料参数，选择合适的单元类型，网格尺寸进行分网，连接件的建模，施加合适的边界条件，建立有载分接开关有限元模型；
8.s3、动力学分析——根据有载分接开关的整体装配有限元模型计算其动力学特性，包括模态频率和模态振型，并对其动力学特性进行分析；
9.s4、超模型建模——基于模型确认理论对某型号有载分接开关的动力学建模方法进行研究，提出了基于超模型的动力学模型确认方法，建立了可用于分接开关整机动力学分析的简化模型，使其在整机分析中能同时兼顾计算的精度和效率。
10.作为优选的技术方案，超模型建模包括结构的有限元建模及预分析，超模型的建模及动力学分析，超模型结果对有限元模型预测数据的校验，相关分析，修正参数的选取，模型修正以及修正结果的评价，最终获得确认的有限元模型。
11.作为优选的技术方案，动力学分析：切换开关的有限元超模型的网格规模达到6084714个自由度，采用block lanczos算法进行模态分析，获得切换开关的前20阶模态频率和振型。
12.作为优选的技术方案，有限元模型的建立：采用三维实体单元对复杂的零部件结构进行建模和动力学分析，首先定义实体单元类型和材料参数，然后根据其三维几何模型进行有限元分网，实际结构是否多个复杂的几何特征组成的，在建模过程中，在不影响计算精度的基础上，需要对实体几何模型进行简化，主要分为几何结构简化和模型网格简化。
13.作为优选的技术方案，建立几何模型：通过三维激光成像仪扫描开关结构的表面形状并结合三维逆向建模技术建立切换开关的几何模型。
14.本发明的有益效果是：本发明的切换开关整体装配有限元超模型规模达到了6084714个自由度，既具有很高的计算精度，又控制了计算的规模，相对于非常细化的有限元模型，又具有一定的计算效率；通过建立切换开关的有限元模型并对其进行动力学分析可获得切换开关系统的动力学响应参数，为后续基于开关动力学响应参数对传感器的安装位置优化提供了研究基础，也为后续通过有限元模型模拟分接开关的典型故障(紧固件松动、弹簧动能不足、触头磨损等)提供了分析模型。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明的有限元法分析计算步骤图；
17.图2为本发明的基于超模型的模型确认流程图；
18.图3为本发明的开关的三维激光扫描及逆向几何建模图；
19.图4为本发明的底座的有限元模型简化图；
20.图5为本发明的修正参数的收敛曲线图；
21.图6为本发明的修正前后的频率误差对比图；
22.图7为本发明的修正前简化模型与超模型的mac图；
23.图8为本发明的修正后简化模型与超模型的mac图；
24.图9为本发明的修正前后简化模型幅频特性曲线对比图；
25.图10为本发明的修正前后简化模型相频特性曲线对比图；
26.图11为本发明的切换开关简化模型和超模型的频率对比图；
27.图12为本发明的切换开关简化模型与超模型的振型对比图。
具体实施方式
28.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥
的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
29.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如图1至图12所示，包括建立有载分接开关各部件以及整体的有限元模型，具体步骤如下：
35.s1、建立几何模型——根据3d激光扫描的实测几何数据，建立有载分接开关各部件以及整体的三维几何模型；
36.s2、有限元模型的建立——选择合适的材料参数，选择合适的单元类型，网格尺寸进行分网，连接件的建模，施加合适的边界条件，建立有载分接开关有限元模型。
37.s3、动力学分析——根据有载分接开关的整体装配有限元模型计算其动力学特性，包括模态频率和模态振型，并对其动力学特性进行分析。
38.s4、超模型建模——基于模型确认理论对某型号有载分接开关的动力学建模方法进行研究，提出了基于超模型的动力学模型确认方法，建立了可用于分接开关整机动力学分析的简化模型，使其在整机分析中能同时兼顾计算的精度和效率。
39.其中，超模型建模包括结构的有限元建模及预分析，超模型的建模及动力学分析，超模型结果对有限元模型预测数据的校验，相关分析，修正参数的选取，模型修正以及修正结果的评价，最终获得确认的有限元模型。
40.其中，动力学分析：切换开关的有限元超模型的网格规模达到6084714个自由度，采用block lanczos算法进行模态分析，获得切换开关的前20阶模态频率和振型。
41.其中，有限元模型的建立：采用三维实体单元对复杂的零部件结构进行建模和动
力学分析，首先定义实体单元类型和材料参数，然后根据其三维几何模型进行有限元分网，实际结构是否多个复杂的几何特征组成的，在建模过程中，在不影响计算精度的基础上，需要对实体几何模型进行简化，主要分为几何结构简化和模型网格简化。
42.其中，建立几何模型：通过三维激光成像仪扫描开关结构的表面形状并结合三维逆向建模技术建立切换开关的几何模型。
43.其中，获得修正后部件简化模型的基础上，对切换开关进行连接件的建模，可以获得切换开关简化模型的装配有限元模型，简化模型的自由度为513921。图11和12给出了简化模型与超模型的频率和振型的对比，由图可知，简化模型与超模型的前十阶模态频率的相对误差均小于5％，前9阶匹配模态振型的相关性均大于0.95，第10阶模态振型相关性为0.82，如图8所示，均满足满足工程需要(通常，相关性大于0.8即满足工程需要)；修正后切换开关简化模型的计算精度与切换开关超模的精度基本接近，而简化模型的自由度数为超模型的8.4％，计算效率就得到了很大的提高。
44.其中，分接开关底座模型简化后与超模型的动力学特性存在一定的误差，这部分误差主要由于几何简化以及网格离散造成的。因此，采用超模型的数据修正简化模型，可以使简化模型的动力学特性与超模型一致，由于底座模型简化后的频率相对误差较大，因此，对底座的前10阶模态频率进行修正，修正参数分别为五个区域的杨氏模量，分别对应修正变量e1～e5，初始值都为210gpa。采用基于灵敏度分析的优化方法，对底座的修正参数进行优化，经过16次迭代后，修正参数趋于收敛。修正后底座修正区域的弹性模量e1～e5分别为191gpa、 601gpa、175gpa、600gpa和552gpa，各修正参数均发生不同程度地变化，说明底座模型简化后刚度分布发生了变化，通过修正杨氏模量对简化后模型的刚度变化进行了补偿，使简化模型与原模型的动力学特性一致。简化模型修正后与超模型的最大频率误差由修正前的3.91％减小到修正后的0.97％，平均频率误差由修正前的2.46％减小到修正后的0.59％，简化模型修正后与超模型的模态振型相关性相对于修正前变化较小，匹配模态振型的相关系数均大于0.9。修正后模型的动力学特性与超模型结果基本一致，修正后模型的预测精度得到了很大的改善。
45.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。