基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统

1.本发明属于气体绝缘管道输电线路设备制造技术领域，涉及一种基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统。


背景技术：

2.盆式绝缘子是气体管道输电线路中的重要部件，其是由金属导体和环氧树脂盆体组成。环氧树脂在盆式绝缘子中起绝缘和机械支撑的作用。在盆式绝缘子生产过程中，环氧树脂通过固化与金属导体部分结合在一起，同时本身由液体状态转变为不溶不熔的固体状态。在环氧树脂固化过程中，因固化收缩和降温收缩过程产生大量的残余应力。残余应力的存在直接影响环氧树脂绝缘材料的机械强度，进而可能造成盆式绝缘子的损坏，进而威胁气体绝缘管道输电线路的安全。因此需要一种监测环氧树脂内部及其与金属导体界面残余应力监测系统。
3.目前的监测系统需要在环氧树脂内部布置传感器，或者在环氧树脂表面布置传感器，这两种方法都不适用于盆式绝缘子。因为布置于环氧树脂内部的传感器会严重影响其绝缘性能，同时在固化过程中其厚重的模具也使得无法在其表面布置传感器。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统，能够实时监测盆式绝缘子在生产过程中应力分布。
5.本发明所采用的技术方案是，一种基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统，包括盆式绝缘子模具和上位机，盆式绝缘子模具内侧面上设置有光纤光栅传感器，外侧面设置有热电偶传感器，光纤光栅传感器通过光纤解调仪与上位机信号连接，热电偶传感器通过温度采集仪与上位机信号连接，上位机内部安装有盆式绝缘子固化过程数字孪生模型，盆式绝缘子固化过程数字孪生模型根据热电偶传感器测量的温度计算当下的固化度场、温度场和应力场分布，并进行可视化显示。
6.其中，盆式绝缘子固化过程数字孪生模型通过comsol软件建立，包含固体传热模块和应力变形模块。
7.固体传热模块用于将热电偶传感器测量的温度转化为温度场和固化度场，温度场和固化度场双向耦合。
8.温度场由热电偶传感器测量的不同时刻、不同空间点的温度构成。
9.固化度场由不同温度下的固化度α构成，其中
10.α＝(t/to)100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
11.式中，t表示盆式绝缘子中环氧树脂固化过程中不同时刻、不同空间点的放热量，即热电偶传感器测量的温度，to是盆式绝缘子中环氧树脂固化过程中的放热总量。
12.应力变形模块用于求解应力场分布，与固体传热模块单向耦合。
13.应力场计算公式如下：
14.{σ}＝[q(α,t)]{ε}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]
ε＝ε
th
+ε
ch
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0016]
ε
th
＝a(t)(t-t
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017][0018]
式中，q(α，t)为t温度下的刚度系数，ε为树脂固化过程中的总应变，ε
th
为树脂固化过程中的热应变，ε
ch
为树脂固化过程中的固化收缩应变，a(t)为温度为t时的热膨胀系数/(1/k)，t
ref
为参考温度/k，v
ch
为树脂固化过程中的体积变化率，α
gel
为凝胶点时的固化度。
[0019]
盆式绝缘子模具包括模具壳体、型腔和底托板，底托板位于模具壳体底部，型腔位于模具壳体内部，型腔顶部设置有浇口。
[0020]
盆式绝缘子模具内侧面的光纤光栅传感器与热电偶传感器一一对应，光纤光栅传感器上刻有布拉格光栅，光纤光栅传感器的栅区中心与同一位置热电偶传感器的测量点位于同一高度。
[0021]
光纤解调仪由micron optics公司生产，型号为sm130，温度采集仪由韦度电子公司生产，型号为wd-08a。
[0022]
本发明的有益效果是，通过热电偶传感器实时监测盆式绝缘子模具的温度，通过光纤解调仪解调的应变校核盆式绝缘子固化过程数字孪生模型中参数，采用盆式绝缘子固化过程数字孪生模型计算当下的固化度场、温度场和应力场分布，实现了盆式绝缘子生产过程中应力的监测。
附图说明
[0023]
图1是本发明一种基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统的结构示意图；
[0024]
图2是本发明实施例中应力场分布图。
[0025]
图中，1.盆式绝缘子模具，2.上位机，3.光纤光栅传感器，4.热电偶传感器，5.温度采集仪，6.光纤解调仪，7.环氧树脂，11.模具壳体，12.型腔，13.底托板，14.浇口。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0027]
本发明一种基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统，参照图1，包括盆式绝缘子模具1和上位机2，盆式绝缘子模具1内侧面上设置有多个光纤光栅传感器3和热电偶传感器4，外侧面也设置有多个热电偶传感器4，盆式绝缘子模具1内侧面的光纤光栅传感器3与热电偶传感器4一一对应，光纤光栅传感器3由深圳中科传感生产，光纤材质和光纤外护套为聚酰亚胺类聚合物，光纤光栅传感器3上刻有布拉格光栅，栅区长度为12mm，带宽为0.182nm，反射率为90.55％，光纤光栅传感器3的栅区中心与同一位置热电偶传感器4的测量点位于同一高度。
[0028]
光纤光栅传感器3通过光纤解调仪6与上位机2信号连接，热电偶传感器4通过温度采集仪5与上位机2信号连接，光纤解调仪6由micron optics公司生产，型号为sm130，可对刻有布拉格光栅的光纤的中心波长实现四通道的测量和解调，波长解调精度精确至小数点后六位，测量的波长范围广，光纤解调仪通过网口与上机位相连，实现光纤波长数据的在线监测和实时记录，测量的最小时间步长为1秒。热电偶传感器4由西安奕威机电设备生产，热
电偶数据传输线包覆层材质为具有耐高温特性的高分子聚合物，热电偶量程为0-300℃，该测量范围高于环氧树脂基复合材料固化过程中的最高温度，并留有一定的测量裕度，能够满足测量的精度和范围。温度采集仪5由韦度电子公司生产，型号为wd-08a，采集温度范围为-40至300℃，精度精确到小数点后三位，且抗干扰能力强，可以实现8路温度数据的同时采集，测量的最小时间步长为1秒，温度采集仪通过串口与上机位相连。上位机2内部安装有盆式绝缘子固化过程数字孪生模型，光纤解调仪6解调的应变用于校核盆式绝缘子固化过程数字孪生模型中参数，盆式绝缘子固化过程数字孪生模型根据热电偶传感器4测量的温度计算当下的固化度场、温度场和应力场分布，并进行可视化显示。
[0029]
盆式绝缘子模具1包括模具壳体11、型腔12和底托板13，底托板13位于模具壳体11底部，型腔12位于模具壳体11内部，型腔12顶部设置有浇口14。模具壳体11和底托板13均为钢材质，如qs235-a结构钢。
[0030]
盆式绝缘子固化过程数字孪生模型通过comsol软件建立，包含固体传热模块和应力变形模块。固体传热模块用于将热电偶传感器4测量的温度转化为温度场和固化度场，温度场和固化度场双向耦合，应力变形模块用于求解应力场分布，与固体传热模块单向耦合。温度场由热电偶传感器4测量的不同时刻、不同空间点的温度构成。
[0031]
固化度场由不同温度下的固化度α构成，其中
[0032]
α＝(t/to)100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0033]
式中，t表示盆式绝缘子中环氧树脂固化过程中不同时刻、不同空间点的放热量，即热电偶传感器4测量的温度，to是盆式绝缘子中环氧树脂固化过程中的放热总量，为恒定值，可以通过dsc和tga等热分析法测定。
[0034]
应力场计算公式如下：
[0035]
{σ}＝[q(α,t)]{ε}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0036]
ε＝ε
th
+ε
ch
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0037]
ε
th
＝a(t)(t-t
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0038][0039]
式中，q(α，t)为t温度下的刚度系数，ε为树脂固化过程中的总应变，ε
th
为树脂固化过程中的热应变，ε
ch
为树脂固化过程中的固化收缩应变，a(t)为温度为t时的热膨胀系数/(1/k)，可通过线性热膨胀仪测试已固化环氧树脂得到，t
ref
为参考温度/k，v
ch
为树脂固化过程中的体积变化率，α
gel
为凝胶点时的固化度。
[0040]
使用本发明基于数字孪生技术的盆式绝缘子应力监测系统时，先校核该系统中盆式绝缘子固化过程数字孪生模型，校核完成后再拆除盆式绝缘子模具1内侧面的光纤光栅传感器3和热电偶传感器4，然后用该系统生产盆式绝缘子，在生产过程中实时监测盆式绝缘子的应力分布。
[0041]
校核该系统中盆式绝缘子固化过程数字孪生模型时，通过浇口14向型腔12中浇注环氧树脂7，在环氧树脂固化过程中，分布于盆式绝缘子模具1内侧面的光纤光栅传感器3实时监测环氧树脂的应变，形成应变场ε1；分布于盆式绝缘子模具1内侧面和外侧面的热电偶传感器4实时监测盆式绝缘子模具1和环氧树脂的温度，并将其输入上位机的盆式绝缘子固化过程数字孪生模型中，固体传热模块根据热电偶传感器4实时监测的温度输出环氧树脂固化过程中的温度场和固化度场，应力变形模块根据热电偶传感器4实时监测的温度输出
环氧树脂固化过程中的应力场分布，该模块在输出应力场的同时输出应变场ε2，将应变场ε1和应变场ε2进行对比，若ε1≠ε2，则对盆式绝缘子固化过程数字孪生模型中参数进行调整，例如调整单元刚度矩阵，使ε1＝ε2，则完成对该系统中盆式绝缘子固化过程数字孪生模型的校核。
[0042]
在用该系统生产盆式绝缘子时，应力变形模块根据盆式绝缘子模具1外侧面的热电偶传感器4实时监测的温度输出环氧树脂固化过程中的应力场分布，完成对盆式绝缘子生产过程中应力的监测，并进行可视化显示，获得的应力场分布图如图2所示。