CN108920776A - 一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,所述方法包含了超模型建模技术、有限元模型简化方法、基于灵敏度的模型修正技术,连接件的建模技术,相关分析方法。所述方法如下:以高精度的超模型数据为参考基准,利用分层思想对分接开关的整机模型进行动力学建模,首先,建立部件的超模型和简化模型,基于分接开关部件的超模型数据对部件简化的初始有限元模型的动力学特性进行修正,获得确认的部件模型,然后,建立连接件的超模型,实现确认后部件简化模型连接件的动力学建模,基于连接件的超模型数据部件简化模型之间的连接参数进行修正,最后,将识别的连接参数代入分接开关整机模型进行动力学分析。该方法为复杂结构的动力学模型确认提供参考,具有广阔的应用前景。

Description

一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认方法
技术领域
本发明涉及结构动力学领域,特别是涉及一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认方法。
背景技术
有载调压分接开关(On-Load Tap Changer,OLTC)是换流变压器实现有载调压的核心部件,不仅能稳定负载中心电压,而且也是联络电网、调整负载潮流、改善无功分配等不可缺少的重要设备,其频繁动作时承受着巨大的机械和电流冲击,从而导致使用过程中出现触头过热烧损、紧固件松动脱落及操作机构卡涩失灵等电气或机械故障,随着换流变压器在电网应用的增多,有载分接开关故障发生率也随之增加。据统计,国内有载分接开关的故障占变压器故障的20%以上,而机械振动导致故障又占分接开关总故障70%,因此,有必要对分接开关的机械振动特性进行研究,以提高其运行的安全性和可靠性。
有载分接开关频繁操作过程中,机构零部件之间的碰撞或摩擦引起的机械振动是引起分接开关机械故障的主要原因。由于有载分接开关结构复杂,传统的解析建模方法很难获得可以准确反映结构动力学特性的模型,因而如何建立准确的分接开关动力学模型是亟待解决的问题。近年来,随着计算机技术的发展,基于有限元法的模型修正与确认技术被越来越广泛地应用于工程中复杂结构的建模与仿真,因此,应用该技术对分接开关进行动力学建模和仿真一定的实际工程意义。
发明内容
本发明基于结构动力学模型修正与确认技术,提出了一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,目的是为了建立一种适用于分接开关整机动力学分析的模型,使其在整机动力学分析中能同时兼顾计算的精度和效率。该方法以高精度的超模型数据为参考基准,利用分层思想对分接开关的整机模型进行动力学建模,基于分接开关部件的超模型数据首先对部件的动力学特性进行修正,获得确认的部件模型,然后基于连接件的超模型数据对分接开关部件之间的连接参数进行修正,将识别的连接参数代入分接开关整机模型进行动力学分析。
基于超模型的有载分接开关动力学模型的分层确认方法的实现流程如图1所示,包括以下步骤:
(1)采用超模型的建模方法建立有载分接开关部件的超模型,对超模型进行动力学分析,获得超模型的动力学参数。
(2)对有载分接开关部件有限元模型进行模型简化,建立部件的初始有限元模型,并对其进行动力学预分析。
(3)采用基于超模型动力学结果的模型修正方法对部件初始有限元模型进行修正,获得确认的部件动力学模型,同理,获得确认的其余部件动力学模型。
(4)采用连接件的动力学建模方法对具有装配关系的相邻部件进行连接件的建模,得到部件装配结构的初始有限元模型。
(5)对装配结构的有限元模型进行动力学预分析,并与装配结构的超模型的数据进行相关分析,判断装配模型是否需要进行修正。
(6)基于装配结构的超模型动力学参数,采用步骤(3)中的模型修正方法对装配结构中的连接件模型进行修正,最终获得确认的两个部件装配结构模型。
(7)将部件装配模型的模型确认方法推广到带连接件的所有装配结构,最终获得确认的分接开关整机模型,进一步用于整机的动力学分析。
附图说明
图1基于超模型的分接开关动力学模型分层确认流程
图2基于超模型的分接开关部件的动力学模型确认流程
图3部件有限元模型的分块网格划分
图4分接开关整机有限元模型
具体实施方式
所述的步骤(1)中超模型的建模流程(如图2所示)为
(1)几何模型清理——对几何模型进行检查、清理,消除几何建模过程中产生的误差、几何建模软件(例如UG)和有限元软件(例如ANSYS)之间的兼容性等问题,确保几何模型与设计预期保持一致,可以进行网格划分;
(2)初始模型分析——给定一个较粗的网格尺寸,以二阶四面体单元进行有限元网格划分,在关心的频率范围内进行自由—自由边界条件下的模态计算;
(3)网格尺寸迭代分析——按照均匀网格尺寸逐步细化网格尺寸,并将前一参考模型的网格尺寸的模型与当前细化网格模型进行相关分析,确定相同振型的模态对,分析模态对的频率差异;
(4)模型收敛性分析——根据模型的收敛性指标检查模态计算结果的收敛性,如果不收敛继续细化,否则停止;采用当前模型和参考模型的平均频率误差和最大频率误差来衡量网格的收敛性,为了定量的描述模型的收敛性,当前计算模型的平均频率误差η和最大频率误差δ可表示为
δ=max|fi,j-fi+1,j|,j=1,2,...,n (2)
其中,fi,j表示第i次迭代计算的模型的第j阶模态频率,n为模态的阶数。
(5)超模型评价——根据超模型精度指标平均频率误差和最大频率误差确定合适的网格尺寸重新划分网格,并与收敛模型进行相关分析,满足指标要求后确定为超模型。
所述的步骤(2)中有限元模型简化的方法为
(1)几何结构简化:去除一些小尺寸的几何特征,如小直径的孔,倒角,倒圆等,去除对结构的动力学特性影响较小的几何特征;对于模型中的一些凸台结构,可视情况进行去除,如一些小尺寸的凸台,以及只对结构的局部模态有影响的凸台等也可以去除。
(2)模型网格简化:以超模型的网格尺寸为参考,选择一个较大的网格尺寸作为简化模型的整体网格尺寸,对于模型中的一些尺寸较小的结构,可适当地减少网格尺寸,以减少畸形网格的产生。获得简化几何模型后,为方便控制不同几何特征的网格尺寸来获得简化模型,可根据几何特征对结构进行分块,如图3所示,然后对各个分块的几何结构进行分网,相邻分块结构之间保持网格的连续性,简化模型的计算规模可通过调整分块结构的网格尺寸进行控制。
所述的步骤(3)中基于超模型动力学结果的模型修正方法为:
利用结构的超模型分析结果作为参考数据,对有限元模型进行校准、相关分析和模型修正,从而使预测模型和参考模型动力学特性的差异在可接受的范围内。在模型修正过程中,预测模型修正参数的变化必须满足实际结构物理意义的约束条件,因此,模型修正问题又可以看成是一类约束优化问题,可表达成如下数学形式
式中g(x)为目标函数;W为加权系数矩阵,用来反映残差向量中各元素的重要程度,通常为一对称矩阵;R为残差向量,fr与fa分别为参考向量和预测向量,可定义为模态频率、模态振型、频响函数等形式。x=[x1,x2,x3,...,xn]T为待修正的设计变量,如材料参数、几何参数以及边界条件等参数,由于预测向量fa(x)是设计变量的状态函数,通过约束状态函数的变化范围可提高最优解收敛的效率,上角标L和U分别表示变量的下界和上界。
可借助灵敏度分析方法对模型修正问题的进行求解,由于待修正模型的设计参数x与参考模型的参数存在一定的误差,通常情况下,模态参数fa(x)为待修正参数x的非线性函数,为了将非线性问题转化为线性问题,在初始设计点将fa(x)展开为待修正参数x的一阶泰勒表达式
fa(x)=fa(x0)+SΔx+o(Δx) (4)
式中,x0为设计参数的初始分析值,S为模态参数对设计参数的灵敏度矩阵,Δx代表设计参数的误差,o(Δx)为高阶项,可忽略不计,得到
fa(x)=fa(x0)+SΔx (5)
式(5)可变化成如下形式
SΔx=R (6)
式中R=fa(x)-fa(x0),为参考模模型与修正模型的模态参数残差。当残差维数大于修正参数维数时,等式(6)为超定方程组,其结果利用最小二乘法求解可得参数增量
Δx=S+R (7)
式中S+为灵敏度矩阵的广义逆,模型修正是一个迭代优化的过程,将本次迭代得到的参数作为下次迭代分析的有限元模型的参数,反复迭代后,有限元模型与参考模型之间的误差满足收敛的条件后最终收敛。
所述的步骤(4)中连接件的动力学建模方法主要包括弹簧单元建模方法和薄层单元建模方法,其中弹簧单元建模方法是采用弹簧单元模拟相邻部件的连接关系,通常设定弹簧的刚度来模拟部件之间的连接刚度。
采用层单元法对连接件进行动力学建模,若采用线性本构关系的各项同性材料建立薄层单元,其本构方程为
其中,D为材料的弹性矩阵,σ为应力矩阵,E,G和u分别为杨氏模量、剪切模量和泊松比,各项同性材料满足公式G=E/2(1+μ),可见材料参数中仅有两个独立的变量。对于壳单元薄层,假设其厚度远小于其它两个方向的特征尺寸,可以认为 为平面8节点等参元形函数,由单元应变与单元节点位移之间的关系可知εx=εy=γxy≈0,此时薄层单元的两个特征尺寸方向的内应变分量(εxyxy)和内应力分量(σxyxy)将被忽略。接触面法向和两个切向分别定义为薄层单元总体坐标的z、x、y方向,材料的本构方程将退化为:
式(8)中,λ为拉梅常数,λ=G(2G-E)/(E-3G),此时法向弹性常数与切向弹性常数是非独立的,这两个常数共同决定部件接触面的连接刚度。
所述的步骤(5),在模型修正过程中,一般采用模态置信准则(Modal AssuranceCriterion,MAC)来评估分析模型和参考模型的模态振型相似程度。MAC的定义为
式中,φr,i为参考模型第i阶振型向量,φa,j为分析模型的第j阶振型向量,T代表转置。MAC=1,表示参考振型与分析振型完全相关,MAC=0,表示不相关,MAC的值越接近与1,两者的相关性越好。
所述的步骤(6)中装配结构的超模型为考虑完整连接结构的超模型,超模型的建模方法参考步骤(1),此外,连接结构可以模拟紧固件的预紧特性。通过装配模型的超模型数据修正装配简化模型的连接参数,通过识别装配部件之间的连接参数,代入部件装配简化模型,最终获得确认的部件装配结构模型
所述的步骤(7)通过装配模型的超模型数据修正装配模型的连接参数,将所有识别的连接参数代入分接开关整机模型,并根据实际安装条件施加边界约束,最终获得确认的分接开关整机动力学模型,如图4所示。
本发明的有益效果是:本发明不仅为有载分接开关的动力学建模开辟了一条新的研究路径,而且为复杂结构的动力学模型确认提供参考,具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征在于:该方法综合应用了超模型建模技术、有限元模型简化方法、基于灵敏度的模型修正技术,连接件的建模技术,相关分析方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征是:以高精度的超模型数据为参考基准,利用分层思想对分接开关的整机模型进行动力学建模,首先,建立部件的超模型和简化模型,基于分接开关部件的超模型数据对部件简化的初始有限元模型的动力学特性进行修正,获得确认的部件模型,然后,建立连接件的超模型,实现确认后部件简化模型连接件的动力学建模,基于连接件的超模型数据部件简化模型之间的连接参数进行修正,最后,将识别的连接参数代入分接开关整机模型进行动力学分析。
3.根据权利要求1所述的一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征是:超模型建模技术的实现流程有5个步骤,包括几何模型清理、初始模型分析、网格尺寸迭代分析、模型收敛性分析和超模型评价,其中初始模型采用二阶四面体有限元网格,按照均匀网格尺寸逐步细化网格尺寸进行迭代分析,迭代过程中与上一次计算模型进行相关分析进行模态对的匹配和计算模态频率的差异,在迭代过程中,采用当前模型和参考模型的平均频率误差和最大频率误差来衡量网格的收敛性。
4.根据权利要求1所述的一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征是:有限元模型的简化方法同时包含几何结构简化与模型网格简化,去除一些小尺寸的几何特征,适当减小产生畸形网格,并按照结构几何特征对结构进行分块,分别对各个几何块进行网格划分,在保证网格连续性的基础上,控制各个几何块的网格尺寸进行分网,获得计算规模较小的简化模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征是:采用基于灵敏度的模型修正技术对分接开关部件的简化模型进行修正,基于部件模型特征频率对分块网格尺寸的灵敏度对部件简化模型进行修正,通过相关分析判别修正后部件模型进行评价。
6.根据权利要求1所述的一种基于超模型的有载分接开关动力学模型分层确认的方法,其特征是:采用一维弹簧单元和壳单元薄层模拟部件之间的连接关系,实现连接件的建模,其中壳单元薄层是采用线性本构关系的各向同性材料建立的,薄层单元的法向弹性常数与切向弹性常数是非独立的,同时用这两个弹性常数来决定部件的连接刚度。
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