一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，包括如下步骤：S1：以直线GIL中的波纹管为研究对象，对波纹管本体、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；S2：根据波纹管的结构参数，进行相应的材料设置与非线性力学建模；GIL中波纹管结构在承受载荷过程中，接触面的状态和接触体的应力分布互相影响；在基于三维非线性有限元理论进而分析方法，考虑了结构的大变形效应，研究了结构的几何非线性行为，相对于解析计算法具有更高的计算精度；通过对等截面管各参数的理论计算及定义，建立了可以等效替代波纹管的有限元计算模型；在保证分析精度的同时，大大缩短分析所用的时间，更适合GIL在多场耦合分析时使用。更适合GIL在多场耦合分析时使用。更适合GIL在多场耦合分析时使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法


[0001]本专利技术属于电力
，具体涉及一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法。

技术介绍

[0002]气体绝缘输电线路(Gas Insulated Transmis
‑
sion Line,GIL)是一种金属外壳和导体同轴封闭、采用压缩气体(SF6气体或SF6混合气体或压缩空气)绝缘的电能传输设备。随着我国大批水电站建设、输电线江河跨越和城市地下综合管廊建设的开展，GIL因其传输容量大、单位损耗低、受环境影响小、寿命长、运行维护方便和可靠性高等优点得到了越来越多的应用。作为输电设备的关键部件,波纹管影响设备的安全、可靠运行。
[0003]基于有限元方法对GIL中的波纹管进行多场耦合时，由于波纹管几何及材料的非线性特性，使整个分析过程极为耗时，限制了有限元法在GIL波纹管优化设计中的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，在提高效率的同时较为准确的计算GIL中波纹管受热胀冷缩效应的影响，加强了有限元法在GIL中波纹管优化设计中的运用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，包括如下步骤：S1：以直线GIL中的波纹管为研究对象，对波纹管本体、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；
[0006]S2：根据波纹管的结构参数，进行相应的材料设置与非线性力学建模；
[0007]S3：根据壳体截面与波纹管长度，进行等效建模；
[0008]S4：根据模型尺寸与材料，进行相同的网格剖分；
[0009]S5：在相同的约束条件下，得到不同模型的轴向形变及应力；
[0010]S6：统计两种模型的单元数与节点数，对比计算所需的时间与内存空间。
[0011]优选的，在所述步骤S1中，建立的几何模型区域包括壳体、法兰、波纹管、螺栓。
[0012]优选的，在所述步骤S3中，用与壳体等截面，与波纹管等长度的软管来替代波纹管。
[0013]优选的，在所述步骤S4中，为壳体和等截面管分别定义不同的属性材料，并用相同类型的单元进行网格划分。
[0014]优选的，在所述步骤S5中，约束左壳体左端面及右壳体右端面的轴向位移，并给壳体施加40℃的温度载荷，得到不同模型的轴向变形及应力计算结果。
[0015]优选的，所述步骤S2还包括：S21：波纹管的轴向刚度为：
[0016][0017]式中，K为波纹管轴向刚度，N/mm；N为波纹管波数；D
m
为波纹管平均直径，mm；E
bt
为
设计温度下波纹管材料的弹性模量，MPa；E0为室温下波纹材料的弹性模量，MPa；δ
m
为波纹管单层实际壁厚，mm；n为波纹管层数；h为波高，mm；C与C
f
为波纹管形状修正系数。
[0018]S22、不论材料非线性问题还是几何非线性问题，其有限元方程都是非线性的：
[0019]ψ(u)＝P(u)
‑
R＝0
[0020]其中，R为外部载荷的等效节点力矢量，P为内力的等效节点力矢量。
[0021]对于非线性有限元方程组不能利用直接方法得到其解答；利用及增量法。
[0022]在增量方法的位移有限元解法中，u是结构的位移增量矢量。
[0023]ψ(u)＝K(u)u
‑
R＝0
[0024]使用增量方法的一个优点是可以得到整个载荷变化过程的一些中间数值结果。当问题的性质与加载的历史有关时，则必须采用增量方法。
[0025]在增量方法中通常引入载荷因子λ，用表示载荷，于是非线性有限元方程可写成：
[0026][0027]载荷因子λ：
[0028]0＝λ0＜λ1＜λ2＜
…
＜λ
M
＝1
[0029]相应于不同的载荷。
[0030]若相应于载荷因子λ＝λ
n
的解已经求得，记为u＝u
n
，则
[0031][0032]设u
n+1
＝u
n
+Δu为其解，于是有：
[0033][0034]将Ψ(u
n
+Δu,λ
n
+Δλ)在u
n
,λ
n
处泰勒展开得：
[0035][0036]若记作：
[0037][0038]考虑到于是上述方程可近似为
[0039][0040]若考虑到相应于载荷因子λ＝λ
n
的解u＝u
n
并不是精确解，亦即：
[0041][0042]于是方程的解为：
[0043][0044]S51、根据波纹管刚度定义等截面管材料的弹性模量E1，使其与波纹管具有相同的力学性能，即受相同的拉力作用，伸长量等。设等截面管与波纹管的长度为L，两端面受相同的轴向拉力F，N；等截面管弹性模量为E，MPa，截面面积为A，mm2、变形量为ΔL1，mm；波纹管刚度为K，变形量为ΔL2，mm。
[0045][0046]S52、等截面管冷缩过程中会产生较大的轴向应变ε
x1
，μ1＝
‑
ε
y1
/ε
x1
(μ1为等截面管材料的轴泊松比)。等截面管长为L1，mm；左壳体长度为L2，mm；右壳体长度为L3，mm；壳体材料的线膨胀系数为α，mm/(mm
·
℃)；壳体由温度差作用产生的垂直于轴向方向的收缩应变为ε
y1
，壁厚为δ，mm；从工作温度到环境温度温差为ΔT；设左右壳体收缩变形量之和为等截面管的拉伸变形量，得到：
[0047][0048]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：GIL中波纹管结构在承受载荷过程中，接触面的状态和接触体的应力分布互相影响；在基于三维非线性有限元理论进而分析方法，考虑了结构的大变形效应，研究了结构的几何非线性行为，相对于解析计算法具有更高的计算精度；通过对等截面管各参数的理论计算及定义，建立了可以等效替代波纹管的有限元计算模型；在保证分析精度的同时，大大缩短分析所用的时间，更适合GIL在多场耦合分析时使用。
附图说明
[0049]图1为本专利技术基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法流程示意图；
[0050]图2为本专利技术实施例所研究的对象GIL波纹管结构示意图。
[0051]图3本专利技术实施例所研究的对象GIL波纹管与等截面管轴向位移量随截面位置的变化图。
[0052]图4本专利技术实施例所研究的对象GIL波纹管与等截面管应力随截面位置的变化图。
具体实施方式
[0053]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：以直线GIL中的波纹管为研究对象，对波纹管本体、SF6绝缘气体、外部空气区域进行几何建模；S2：根据波纹管的结构参数，进行相应的材料设置与非线性力学建模；S3：根据壳体截面与波纹管长度，进行等效建模；S4：根据模型尺寸与材料，进行相同的网格剖分；S5：在相同的约束条件下，得到不同模型的轴向形变及应力；S6：统计两种模型的单元数与节点数，对比计算所需的时间与内存空间。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：在所述步骤S1中，建立的几何模型区域包括壳体、法兰、波纹管、螺栓。3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：在所述步骤S3中，用与壳体等截面，与波纹管等长度的软管来替代波纹管。4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：在所述步骤S4中，为壳体和等截面管分别定义不同的属性材料，并用相同类型的单元进行网格划分。5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：在所述步骤S5中，约束左壳体左端面及右壳体右端面的轴向位移，并给壳体施加40℃的温度载荷，得到不同模型的轴向变形及应力计算结果。6.根据权利要求1所述的一种基于有限元的GIL中波纹管的高效仿真方法，其特征在于：所述步骤S2还包括S21：波纹管的轴向刚度为：式中，K为波纹管轴向刚度，N/mm；N为波纹管波数；D
m
为波纹管平均直径，mm；E
bt
为设计温度下波纹管材料的弹性模量，MPa；E0为室温下波纹材料的弹性模量，MPa；δ
m
为波纹管单层实际壁厚，mm；n为波纹管层数；h为波高，mm；C与C
f
为波纹管形状修正系数；S22：不论材料非线性问题还是几何非线性问题，其有限元方程都是非线性的：ψ(u)＝P(u)
‑
R＝0其中，R为外部载荷的等效节点力矢量，P为内力的等效节点力矢量；对于非线性有限元方程组不能利用直接方法得到其解答；利用及增量法；在增量方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，黄兆鋆，张小武，徐万里，
申请(专利权)人：江苏南瑞恒驰电气装备有限公司，
类型：发明
国别省市：