电力高压断路器SOM特征量化代理建模方法与流程

本技术涉及一种电力断路器som代理建模方法，特别涉及一种电力高压断路器som特征量化代理建模方法，属于断路器som建模。

背景技术：

1、高压断路器是电力电网系统中最重要，同时又是最复杂的设备之一，断路器受工作性质的约束，决定了其必须承受高速冲击载荷，并且保证高可靠性的特点。操动机构是断路器重要的组成部分，弹簧操动机构(som)以弹簧为动力元件，通过传动机构驱动静动触头完成分合闸，传动机构良好的运动特性是保障机械系统性能与可靠度的基础。受机械设计与加工制造限制，机构间运动副必然无法实现理想连接，运动副间隙的存在导致机构运动偏离理想设计值，同时引起运动副本身的摩擦磨损，进而促使接合面的破坏，造成更大的间隙。传统物理试验方法成本高昂，易引入随机误差，随计算机技术的发展，仿真技术计算能力增强，在实际工程中运用越来越广泛，而有限元仿真建模前后处理占整个过程的大量时间，极大地增加了变参或优化分析的成本代价，降低分析效率。

2、som常采用连杆机构传递动力与运动，各构件间大量采用铰接方式进行连接。铰接将引入铰接销轴与轴套，不可避免的引入运动结合面，结合面的存在使得机械结构或系统不再具有连续性，导致了运动学与动力学问题求解的复杂性，而由于实际加工条件的限制、工程装配的要求、设计方法的不足以及在使用过程中的摩擦磨损问题的存在，铰接连接不可避免将出现间隙，间隙的影响导致连接构件中冲击问题更加突出，加剧接触面的摩擦磨损，致使机械结构接合面形貌变化，而接合面与机械结构的静态特性、振动与振动控制及其动态特性存在着十分密切的关系，同时som受设计要求的限制，存在着严重的高速冲击，因此对som铰接间隙与及其磨损的研究具有较大价值。

3、现有技术的电力断路器som代理建模方法需要解决的问题和本技术关键技术难点包括：

4、(1)高压断路器som以弹簧为动力元件，通过传动机构驱动静动触头完成分合闸，传动机构良好的运动特性是保障机械系统性能与可靠度的基础，但受机械设计与加工制造限制，机构间运动副无法实现理想连接，运动副间隙的存在导致机构运动偏离理想设计值，同时引起运动副本身的摩擦磨损，进而促使接合面的破坏，造成更大的间隙。现有技术物理试验方法成本高昂，易引入随机误差，现有技术利用计算机进行仿真技术计算能力存在短板，而有限元仿真建模前后处理占整个过程的大量时间，极大地增加了变参或优化分析的成本代价，降低分析效率，导致无法建立电力高压断路器som的有限元仿真模型，无法运用试验数据进行模型的修正与检验，不能实现基于特征的零部件量化建模，无法建立对象的有限元零部件量化模型，缺少开发参数信息管理辅助软件，无法利用代理模型建立其仿真近似模型，无法分析铰接间隙对铰接副及机构带来的影响，无法机构设计提供反馈。

5、(2)som采用连杆机构传递动力与运动，各构件间大量采用铰接方式进行连接，铰接将引入铰接销轴与轴套，不可避免的引入运动结合面，结合面的存在使得机械结构或系统不再具有连续性，导致了运动学与动力学问题求解的复杂性，而由于实际加工条件的限制、工程装配的要求、设计方法的不足以及在使用过程中的摩擦磨损问题的存在，铰接连接不可避免将出现间隙，间隙的影响导致连接构件中冲击问题更加突出，加剧接触面的摩擦磨损，致使机械结构接合面形貌变化，而接合面与机械结构的静态特性、振动与振动控制及其动态特性存在十分密切的关系，同时som受设计要求的限制，存在着严重的高速冲击，但现有技术缺少对som铰接间隙与及其磨损的研究，缺少高效可靠的电力断路器som代理建模方法，无法创建基于空间最优模型的代理建模程序来对操动机构铰接磨损研究分析，不利于电力高压断路器som的冲击载荷和可靠性研究，给电力电网系统的安全运行带来隐患。

6、(3)现有技术缺少对电力高压断路器som分析其结构组成与运动原理研究，没有考虑工作环境中存在的高速冲击问题，未对其材料模型、接触模型进行合理选择，无法在abaqus环境下建立操动机构的有限元仿真模型，没有搭建物理试验台以位移曲线对仿真模型进行修改验证，缺少运用特征建模思想进行零部件的量化，无法根据几何关系建立并求解构造图素的约束关系，无法建立机构的矢量环方程与z向规格链，以定位规格、连杆长度、初始位置为变量，完成装配体的零部件量化，缺少运用c#开发零部件量化信息管理软件辅助管理建模信息，没有分析铰接间隙导致的操动机构运动偏差及对铰接副的影响。缺少基于空间最优代理模型，无法建立研究对象的代理建模模型，运用archard模型，以铰接磨损程度为目标进行分析，最终造成不能对操动机构的设计提供很好的帮助，不利于断路器som的研发设计和运用。

技术实现思路

1、本技术通过电力高压断路器som分析其结构组成与运动解析，对其进行合理简化，考虑工作环境中存在的高速冲击问题，对材料模型、接触模型进行合理选择，在abaqus环境下建立操动机构的有限元仿真模型，运用所搭建的物理试验台，以位移曲线对仿真模型进行修改验证，得到了具有较好吻合度的仿真模型。再运用特征建模思想进行零部件的零部件量化，将梗概图图素分为构造图素与轮廓图素，根据几何关系建立并求解构造图素的约束关系，利用所得构造图素计算轮廓图素，结合特征参数完成零部件零部件量化。根据有限元建模相关信息创建信息模型，运用python语言进行二次开发，完成了som的有限元零部件量化建模，并运用c#开发零部件量化信息管理软件辅助管理建模信息。研究分析了铰接间隙导致的操动机构运动偏差及对铰接副的影响，运用archard模型，以铰接磨损程度为目标，铰接配合公差(间隙值与偏差值)为变量进行分析，对操动机构的设计提供助力，大幅减少了som的设计风险和隐患，有利于高压断路器som的大规模推广应用。

2、为实现以上技术效果，本技术所采用的技术方案以下：

3、电力高压断路器som特征量化代理建模方法，在abaqus环境下建立操动机构的有限元仿真模型，以位移曲线对仿真模型进行修改验证，基于特征建模进行零部件的零部件量化，将梗概图图素分为构造图素与轮廓图素，根据几何关系建立并求解构造图素的约束关系，利用所得构造图素计算轮廓图素，结合特征参数完成零部件零部件量化，建立机构的矢量环方程与z向规格链，以定位规格、连杆长度、初始位置为变量，完成装配体的零部件量化，根据有限元建模相关信息创建信息模型，运用python语言进行二次开发，并运用c#开发零部件量化信息管理软件辅助管理建模信息；基于所开发的程序，研究分析铰接间隙导致的操动机构运动偏差及对铰接副的影响，采用遗传空间采样策略和期望增强的序列加点策略，基于空间最优代理模型，结合零部件量化建模与程序化后处理技术，建立som代理建模模型，基于archard模型以铰接磨损程度为目标，铰接配合公差为变量，对som进行分析；

4、a-断路器som有限元零部件量化建模：1)建立基于特征的零部件零部件量化模型，对特征梗概图构造图素建立约束关系并求解，构造轮廓图素的数学表示，实现对零部件几何实体模型的零部件量化构建；2)建立零部件装配的平面位置关系，求解矢量环方程，以获得零部件在二维投影面上的位置与初始姿态，结合z轴向规格链，完成空间装配体的零部件量化；3)创建操动机构有限元som信息模型，以抽象类的方式表达特征信息，建立操动机构的有限元零部件量化模型，实现有限元som模型重用，并开发零部件量化信息管理平台；

5、b-som代理建模及铰接特性解析：1)以铰接副间隙为变量，分析铰接轴套与销轴形变量及相对位移量，得到机构运动位移偏差随间隙规格的变化规律；2)基于空间最优代理模型，采用遗传空间采样策略和期望增强的加点准则,在abaqus环境下建立有限元代理建模程序；3)运用所建立的代理建模程序，以铰接副配合公差为设计变量，铰接副运动过程中的磨损情况为目标函数，得到铰接间隙对磨损影响较大，过大或过小的间隙均会导致较大的磨损。

6、优选地，装配体零部件量化：在建立零件时,初始点均设置在原点,装配时再调整零件间的相对位置关系，在装配体模块下利用零件的特征关系对零件间相对位置及初始运动姿态进行调整；

7、装配体零件之间通过共轴线，平行，相对距离，相对转角相关约束行为关联，保证在给定的初始条件下，各零部件调整到相应姿态，装配图中坐标系为全局坐标系，各零部件在建模中所采用的坐标系称为局部坐标系，计算局部坐标系在全局坐标系中的位置，部分局部坐标系在全局坐标系中的位置相对固定，直接通过相对位置矢量表示，实际连杆机构包含二级杆组及更高级别杆组，装配体零部件量化需要对其进行求解，操动机构中包含有两个四连杆机构，对其位置进行求解；

8、操动机构传动部分由连杆l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7和机架l4，l8构成，其中l1，l2，l3，l4构成四连杆i，将运动与力从上连杆传递到主轴，l5，l6，l7，l8构成四连杆ⅱ，将运动由主轴传递到大拐臂，四连杆机构建立一个封闭矢量环，

9、

10、式中，为矢量与x轴的夹角，li为矢量的模；

11、求解时分别向坐标轴投影，将其转化为标量形式方程，式2为其标量形式：

12、

13、a，d为外铰接点，其坐标作为初始条件给定后，式2中仅含设计变量和方程可解；

14、对四连杆i计算求解得到以与主轴夹角θ为初始条件求解四连杆ⅱ,得到传动机构在给定初始条件下的平面运动位置，根据装配关系建立平面法向上的规格驱动关系；

15、操动机构包含有三相，每一相包含一对主轴拐臂、下连杆、大拐臂，对大拐臂与下连杆分别进行子装配，大拐臂子装配参数为ddgb1与ddgb2，下连杆子装配参数为dxlg与ddgb2，由装配体结构得到：

16、dxlg＝ddgbl-tdgb-txlg  式3

17、零部件的定位规格为导出规格，由连杆坐标原点为全局坐标原点，建立零部件定位规格。

18、优选地，有限元som模型信息结构：总体结构上其划分为cad信息与cae信息，cad信息包括零部件信息和装配体信息，cae信息包括材料信息、分析步信息、交互信息、边界载荷信息、网格信息、任务信息；

19、将有限元som模型信息作为集合m，则其构成由式4表示：

20、m＝{ipart，iassem，imat，ibcload，imesh，iint，istep，ijob}  式4

21、式中：ipart为零件信息，指零件实体的几何拓扑信息以及用于有限元建模的辅助信息，几何拓扑信息包括零件实体的点、线、面、体信息，辅助信息包括参考点、线、面及特征集合，零件信息是对零件特征的描述，为模型的装配接触添加和网格划分提供选择数据；

22、lassem为装配信息，指装配体所包含的相关几何信息与辅助信息，装配信息除包含实例化所得零件实例，继承的相应零件信息外，还包括装配全局坐标下定义的参考点、线、面及特征集合；imat为材料信息，指为零件分配的相关材料特性，具体包括材料密度、弹性模量、泊松比、塑形材料模型及相关参数、材料方向信息，材料模型还包含零件的截面特性；ibcload为边界载荷信息，描述模型所受载荷条件以及所依赖的边界条件，载荷条件包括力、力矩载荷以及载荷随时间的变化关系，边界条件指模型中零件所受约束条件，边界载荷信息依赖于装配信息提供的辅助信息；imesh为网格信息，包含对零件实例进行网格划分所相关数据；iint为交互信息,通过建立铰接销轴与轴套的几何实体，将其整体作为铰接副，用于机构分析求解；istep为分析步信息，指模型分析问题的类型，分析步中采用的时间长短、时间增量、质量放大系数，此外还包含反映分析过程与结果数据的历史输出变量，接触力和场输出变量,应力应变及输出频率；ijob为任务信息，指所建立的分析任务的类别与相关求解控制参数，分析类别包括常规分析、重启动，相关求解控制参数指并行运算的求解核心数，计算域数目以及计算求解的内存大小；som对象有限元som信息模型：对信息模型划分为操作与参数的集合，则信息模型中任一子集表示为：

23、

24、有限元som信息模型描述为：

25、

26、将有限元som信息模型中的子集ii定义为类(class)cls，信息模型中的操作定义为函数(function)fcn，信息模型中的参数定义为属性(attribute)atr。

27、优选地，基于有限元som信息模型建模流程：基于有限元som信息模型创建设计对象进行分析求解，具体步骤如下：

28、第1步：调用模型层脚本，读取信息库中信息，初始化模型设计相关参数，包括构件规格、装配参数、材料参数、网格参数、边界载荷参数、交互参数；第2步：实体化零件类，调用各构件几何建模函数，建立构件的几何模型；第3步：实例化材料类，调用公有函数material&assign()函数，为模型建立截面属性、添加材料，并为零件赋予材料；第4步：实例化装配类，调用assem()函数，计算得到各构件的装配位置，建立辅助参考点，对构件进行装配；第5步：调用rp_bulid()函数,为模型添加辅助参考点，修改参考点属性；第6步：调用set&surface_bulid()函数，根据模型零部件关联特性以及几何特征建立辅助面与集合；第7步：实例化分析步类，调用step()函数，为模型建立分析步类，设置分析类型、分析时长；第8步：实例化交互类，调用interaction_bulid()函数，建立接触属性、铰接属性，为构件建立交互联接；第9步：调用output()函数，为模型设置输出变量、输出域、输出频率；第10步：实例化载荷边界类，调用load()函数，为仿真模型添加边界条件和输入载荷，包括加载输入载荷曲线，约束自由度；第11步：实例化任务类，调用job()函数，为模型设置求解方式、处理器数目、占用内存量；第12步：分析计算结果，若不理想利用import()函数导入有限元som模型，再调用模型层脚本设置参数；第13步：调用constraindel(),partdel()函数删除构件和与修改构件关联的交互联接、特征，调用构件建模函数建模。

29、优选地，铰接副运动姿态分析：铰接副中销轴与轴套在运动过程中，其相对位置与受力情况存在几种不同的关系，按照其表现出的关系对铰接副运动姿态进行分类，包含有5种姿态：姿态i：铰接副处于姿态i时，与中连杆连接轴套，称为外轴套，在中连杆的力作用下向下运动，此时销轴及与主轴连接轴套，成为内轴套，基于间隙的存在尚未接触碰撞；姿态ⅱ：外轴套与销轴接触碰撞，驱动销轴运动，销轴与内轴套接触碰撞，带动主轴旋转；姿态ⅲ：销轴与内外轴套均分离，处于自由状态,机构力的传递中断，下游机构消耗自身能量进行运动；姿态ⅳ：机构自身结构及驱动输入载荷的特征，内轴套驱动销轴，销轴与外轴套接触碰撞，对上游机构做功；姿态v：机构在运动过程中，轴套受力变形，造成的销轴卡涩；

30、机构在运动过程中，铰接副在i,ii,iii,ⅳ四种姿态间切换，姿态v仅出现在间隙较小，铰接副卡涩的情况下；机构铰接柔性轴套在运动过程中发生变形，内径截面的圆形变为椭圆，当铰接副间隙值过小,轴套变形后椭圆短径小于销轴外径,此时则发生铰接副卡涩。

31、优选地，遗传空间采样策略：在设计区间中采取样本点，形成样本点集s，经响应求解获得响应数据值y,依据样本数据[s|y],构造响应面模型，基于每个样本点的nv维球体，以设计空间中不形成交叉的最小球体半径为衡量标准，最小球体半径越大，样本点空间分布特性越好，φp值越小则设计样本点间的距离越大，其数学表达为：

32、

33、式中，p为正整数，ns为样本点数目，dij为样本点所组成的两点间的距离，由式7表示任意两点距离：

34、

35、首先对数据进行编码，以矩阵的形式描述lhs抽样样本，大小为m×n的矩阵l中，每一行代表一组样本点，每一列包含一组1-m的整数序列：

36、

37、式中，xj为第j组样本点；对矩阵l的操作，初始化种群生成npop个样本，npop为偶数，选择运算按适应度值对种群个体进行排序，从中挑选前npop/2个最好的样本；交叉运算利用挑选的npop/2个生成样本数为npop的新种群,将新种群划分为s1＝[1,(npop/2+1)]和s2＝[npop/2，npop]两个区间，s1区间以最优个体为基础，与[2,npop/2]中的个体依此随机交换某一列，产生新个体，s2区间依此以[2，npop/2]中的个体为基础，与最优个体随机交换某一列产生新个体，s1与s2组合构成新种群；变异运算作用于新种群中除最优个体外的所有个体，对每列生成一个[0，1]区间的随机数，若随机数小于给定变异率值pmut，则随机交换该列中的两个元素。

38、优选地，som代理模型：利用已知样本数据[xm×n|ym×p]建立输入变量x与输出响应y之间的近似数学表达关系，假设大小为m的设计点集s＝[s1，s2，…，sm]t，si∈rn系统输出一维(q＝1)响应值y＝[y1，y2，…，ym]t，yi∈rq，表示为一个回归模型和随机函数：

39、

40、回归模型采用k个基函数构成的线性回归模型：

41、

42、假设随机函数z的平均值为0，z(w)与z(x)之间的协方差为：

43、e[z(w)z(x)]＝σ2r(θ，w，x)  式11

44、式中，σ2为随机函数z的方差，r(θ，w，x)为关联模型，θ为关联模型参数；

45、由此对于设计样本点集s,其设计矩阵f表示为：

46、

47、随机函数的相关矩阵r为：

48、

49、未知点x与设计样本点集s,相关向量r为：

50、r(x)＝[r(θ，s1，x)…r(θ，sm，x)]t   式14

51、x处预测响应值表示为：

52、

53、则预测误差为：

54、

55、其中，z＝[z1，…，zm]t为设计样本点集的误差，由预测保持无偏差性，ftc(x)-f(x)＝0，预测误差的平均方差为：

56、

57、求关于c在保持无偏差性下的最小值，其拉格朗日方程为：

58、l(c，λ)＝σ2(1+ctrc-2ctr)-λt(ftc-f)

59、l′(c，λ)＝2σ2(rc-r)-λf                式18

60、由优化必要条件及无偏差约束关系得：

61、

62、求解式19得：

63、

64、矩阵r与r-1为对称矩阵，则：

65、

66、对回归模型关于r的最小二乘解为：

67、β*＝(ftr-1f)ftr-1y   式22

68、联立式21与式22得到：

69、

70、式中，rγ*＝y-fβ*；

71、模型预测误差为：

72、

73、式中，u与σ2分别为过程量，

74、u＝ftr-1r-f

75、

76、构建som代理模型。

77、优选地，序列优化加点准则：在初始样本基础上通过分析对应的响应值，添加新的样本点，增加样本点提高模型的精度，在优化过程中不仅考虑预测模型中的最小值，同时考虑模型样本点的稀疏程度，采样点越稀疏则预测模型可信度越低；

78、对于一个设计点x，在进行昂贵计算前，无法知道其响应值y(x)，预测其均值和均方差σ2，将y(x)的不确定性作为是关于变量y,均值与均方差分别为和σ2的正态分布，加点准则对所有可能得到优化值的点进行权衡，其表达式为式中：

79、

80、与φ(·)分别为标准正态分布的密度函数和分布函数；第一项为当前最优值与预测值之差乘以提高的概率，第二项为标准差乘以概率密度，当前最优值与预测值之差越大，预测方差越小，则第一项越大，即寻找一个预测值明显小于当前最优值的点；当预测方差越大，则第二项越大，但受概率密度约束不偏离当前最优点，即寻找不确定性较大的点，权衡预测模型最优值及不确定性，选择下一个样本点。

81、优选地，基于空间最优模型的优化估算：包括单步优化及序列优化，单步优化经过一次采样，构造代理模型，检查代理模型精度，满足要求再基于代理模型进行优化，序列优化通过考虑预测值及预测方差来增加样本，不断更新模型，提高模型精度，并对代理模型求最优值，当满足收敛准则时停止迭代，步骤如下：第一步：采用遗传空间采样策略，构造维数大小为m的初始设计样本点s；第二步：根据设计目标函数值，求解设计样本点s对应的目标响应值y；第三步：利用样本设计点s与响应值y构造空间最优代理模型；第四步：采用优化算法求解代理模型，获取当前最大期望增强值；第五步：判断迭代是否满足收敛准则，若满足收敛要求，则停止迭代，利用优化算法求解当前代理模型最优值，作为优化计算结果；否则执行第六步；第六步：利用最大期望增强值加点准则获取新样本点，添加到样本s中，执行第二步。

82、优选地，操动机构铰接副磨损分析：以铰接副磨损为优化目标，以铰接配合公差(铰接间隙与公差带偏差值)为设计变量，对铰接副进行优化；

83、1)设计变量：工程中铰接副间隙为轴套内径与销轴外径之差δ，为相对变动值，考虑基准偏差值εs，以偏差值与间隙值为设计变量；

84、2)优化目标：磨损模型计算式为：

85、

86、式中，v为磨损深度，s为相对滑移距离，fn为法向接触力，k为无量纲磨损系数，h为接触材料中较软材料布氏硬度，接触力通过有限元仿真接触历史变量法向接触力获得，相对滑移销轴轴套标记点在运动过程中的坐标位置的相对关系计算得到；

87、3)约束条件：对设计变量值进行区间约束，区间约束关系如下：

88、

89、其中，约束条件单位为μm；采用galhs法进行初始采样，初始样本点矩阵大小为10×2，迭代次数20次；间隙值较小与间隙值较大时，磨损程度均相对较高，间隙值在[60,110]左右时，铰接磨损程度相对较低，寻优搜索点大多集中在此区间中。

90、与现有技术相比，本技术的创新点和优势在于：

91、(1)本技术通过电力高压断路器som分析其结构组成与运动解析，对其进行合理简化，考虑工作环境中存在的高速冲击问题，对材料模型、接触模型进行合理选择，在abaqus环境下建立操动机构的有限元仿真模型，运用所搭建的物理试验台，以位移曲线对仿真模型进行修改验证，得到了具有较好吻合度的仿真模型。再运用特征建模思想进行零部件的零部件量化，将梗概图图素分为构造图素与轮廓图素，根据几何关系建立并求解构造图素的约束关系，利用所得构造图素计算轮廓图素，结合特征参数完成零部件零部件量化。根据有限元建模相关信息创建信息模型，运用python语言进行二次开发，完成了som的有限元零部件量化建模，并运用c#开发零部件量化信息管理软件辅助管理建模信息。研究分析了铰接间隙导致的操动机构运动偏差及对铰接副的影响，运用archard模型，以铰接磨损程度为目标，铰接配合公差(间隙值与偏差值)为变量进行分析，对操动机构的设计提供助力，大幅减少了som的设计风险和隐患，有利于高压断路器som的大规模推广应用。

92、(2)本技术通过建立断路器som的有限元仿真模型，并运用试验数据进行模型的修正与检验，以保证模型的可靠性；运用基于特征的零部件量化建模方法，建立对象的有限元零部件量化模型，并开发参数信息管理辅助软件；利用代理模型技术建立其仿真近似模型，研究分析了铰接间隙对铰接副及机构带来的影响，为机构设计提供反馈，专门用于解决som最重要同时又最复杂的设计和试验难题，som特征量化代理建模不断实验和改进后，能够承受高速冲击载荷，并能保证高可靠性，som通过传动机构驱动静动触头完成分合闸，具备传动机构良好的运动特性，能够保障机械系统性能与可靠度，解决了受机械设计与加工制造限制，机构间运动副必然无法实现理想连接，运动副间隙的存在导致机构运动偏离理想设计值，同时引起运动副本身的摩擦磨损，促使接合面的破坏，造成更大间隙的问题。本技术试验方法成本大幅降低，不会引入随机误差，仿真技术计算能力增强，而有限元仿真建模前后处理占用时间大幅缩短，极大地减少了变参或优化分析的成本代价，提高了分析效率。

93、(3)本技术构建了高压断路器som的零部件量化建模方法，基于特征建模的零部件量化，将梗概图图素划分为构造图素与轮廓图素，采用约束求解方式对模型进行计算求解，以增强适用性；并对机构求解完成目标对象的装配体零部件量化建模，建立对象的有限元零部件量化模型，同时开发；鄂用于管理相关参数数据的信息软件，分析了铰接间隙对机构运动的影响，采用遗传空间采样策略，以“期望增强”为序列加点准则，建立空间最优代理模型，并结合abaqus仿真软件，进行了开发，创建了基于空间最优模型的代理建模程序，并将程序应用于操动机构铰接磨损研究分析中，对消除或减弱电力高压断路器som是设计风险和使用危险隐患具有非常大的作用。