一种基于多场耦合的超高压绝缘子设计优化方法及系统与流程

本发明属于超高压绝缘子，具体涉及一种基于多场耦合的超高压绝缘子设计优化方法及系统。

背景技术：

1、在强电场、复杂机械载荷及严酷自然环境的长期协同作用下，绝缘子的失效模式呈现多物理场耦合特征，主要表现为电性击穿、热致脆断及机械疲劳。

2、目前，绝缘子的设计通常重点优化电场分布以控制电晕和闪络；为确保机械强度满足安全系数，热分析往往作为事后校核或仅依赖经验公式。这种模式忽略了电场、热场、机械应力场之间强烈的相互影响与耦合作用，使得设计出的绝缘子在真实多场协同作用下可能存在未知的薄弱点。

3、此外，现有技术中，工程师可能使用通用有限元软件进行单一场的仿真（如仅静电场分析），或在两个场之间进行简单的单向数据传递（如将电场计算结果作为热源进行稳态温度分析）。这类方法无法实现电-热-机-流等多物理场的实时、双向、全耦合仿真。其优化目标往往是单一的，如“场强最低”或“重量最轻”，缺乏一个能够综合权衡电气性能、热稳定性、机械可靠性乃至经济性的多目标协同优化框架。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多场耦合的超高压绝缘子设计优化方法及系统。本发明通过构建电场、热场、机械场及流场耦合模型，获取超高压绝缘子运行状态下的多场响应数据。基于多失效风险指标建立多目标优化模型，并结合双路径寻优与代理模型迭代更新，实现绝缘子结构参数的协同优化。通过多场耦合分析降低设计过程中的失效风险，提高绝缘子设计可靠性。

2、本技术的第一方面公开一种基于多场耦合的超高压绝缘子设计优化方法，采用如下的技术方案：

3、获取复合绝缘子的结构参数和材料参数；定义结构参数变量集合与材料参数集合，并建立材料参数与温度及场强的动态关联模型；建立多场数据交互关系以建模多物理场耦合参数空间；

4、基于耦合参数空间，建立多场联合求解模型；电场计算向热场传递损耗热源，热场计算向电场反馈材料参数并向机械场传递温度载荷；机械场计算向电场和流场反馈结构变形信息，流场计算向热场反馈换热边界条件；执行多场循环迭代，输出稳定状态下的多场数据；

5、基于所述多场数据分别计算电气失效、热失效和机械失效的风险指标，引入耦合风险目标，并以结构参数变量为优化变量构建多目标优化函数；构建双路径求解策略，包括将多目标优化函数转化为单目标求取单一最优解，以及求取多目标的帕累托前沿；

6、建立优化变量与风险指标的多目标求解代理模型，进行双路径迭代求解；在迭代过程中对双路径的求解结果进行交互校验，并将候选解反馈至代理模型进行误差计算以更新代理模型的训练，直至双路径求解均收敛，输出寻优方案。

7、进一步地，所述结构参数变量集合的定义过程包括：

8、在仿真分析环境中，将复合绝缘子的结构参数通过仿真对应的映射方式构建为三维几何模型；对三维几何模型进行参数化处理，将可优化的结构参数定义为结构参数变量集合；

9、对所述结构参数变量集合中的各变量设定对应的物理约束边界与耦合约束。

10、进一步地，所述多物理场耦合参数空间，包括结构参数变量集合、材料参数集合、环境参数集合以及材料参数随温度及电场变化的动态关联模型；

11、所述材料参数随温度及电场变化的动态关联模型包括相对介电常数温度关联模型、电导率温度关联模型、弹性模量温度关联模型以及热膨胀模型。

12、进一步地，所述多场联合求解模型用于执行不同物理场之间的数据交互，包括：建立电场模型计算电场强度，结合泄漏电流和材料的相对介电常数计算泄漏电流热源和介质损耗热源，形成总损耗热源传递至热场计算；

13、建立热场模型根据总损耗热源进行热传导计算，设置对流与辐射换热边界，求解得到复合绝缘子的温度分布，并基于所述温度分布更新计算材料的相对介电常数、电导率以及热膨胀系数，反馈至电场模型。

14、热场模型将绝缘子的温度分布传递至机械场模型；

15、机械场模型根据所述温度分布和绝缘子运行过程中的机械载荷计算材料的热应变和结构位移，更新绝缘子的三维几何模型，并将热应变和结构位移传递至流场模型；

16、建立流场模型根据运行环境参数计算流速分布与表面对流换热系数，并反馈至热场模型以更新换热边界条件。

17、进一步地，所述多场循环迭代，包括：

18、根据电场模型、热场模型、机械场模型和流场模型的数据交互，计算每次迭代循环的综合耦合误差；当综合耦合误差小于收敛阈值时，则将当前迭代轮次的多物理场数据判定为稳定状态下的多场数据输出；

19、稳定状态下的多场数据包括电场分布、温度分布与应力分布。

20、进一步地，所述综合风险指标的计算过程，包括：

21、对于电气失效风险指标，基于所述多场数据中的电场分布提取的最大场强、最大场强梯度和电场集中区域面积计算；

22、对于热失效风险指标，基于所述多场数据中的温度分布提取的最高温度、温升速率和高温持续时间计算；

23、对于机械失效风险指标，基于所述数据中的应力分布求取的机械应力、最大位移和疲劳损伤计算。

24、进一步地，所述多目标优化函数，包括：

25、最小化电气失效风险指标、热失效风险指标、机械失效风险指标以及制造成本；还包括耦合风险目标，为最小化耦合影响因子；

26、所述耦合影响因子基于电气失效风险指标、热失效风险指标和机械失效风险指标融合计算。

27、进一步地，所述将多目标优化函数转化为单目标求取单一最优解，包括：

28、将电气失效风险指标、热失效风险指标、机械失效风险指标、制造成本以及耦合影响因子进行加权，得到单目标优化函数；每个目标项的权重根据运行工况动态调整。

29、进一步地，所述在迭代过程中对双路径的求解结果进行交互校验，包括：

30、将单目标路径输出的当前最优解投影至多目标路径的帕累托前沿中，判断支配关系；

31、若所述当前最优解未被所述帕累托前沿中任何解支配，继续当前迭代；

32、若所述当前最优解被所述帕累托前沿中至少一个解支配，则计算支配解相较于所述当前最优解在每个目标项上的改善幅度，根据改善幅度调整单目标路径中每个目标项的权重。

33、本技术的第二方面公开一种基于多场耦合的超高压绝缘子设计优化方法系统，执行如本技术第一方面所述的优化方法的技术方案，系统包括：

34、耦合空间建立模块；获取复合绝缘子的结构参数和材料参数；定义结构参数变量集合与材料参数集合，并建立材料参数与温度及场强的动态关联模型；建立多场数据交互关系以建模多物理场耦合参数空间；

35、多场耦合求解模块；基于耦合参数空间，建立多场联合求解模型；电场计算向热场传递损耗热源，热场计算向电场反馈材料参数并向机械场传递温度载荷；机械场计算向电场和流场反馈结构变形信息，流场计算向热场反馈换热边界条件；执行多场循环迭代，输出稳定状态下的多场数据；

36、多目标优化模块；基于所述多场数据分别计算电气失效、热失效和机械失效的风险指标，引入耦合风险目标，并以结构参数变量为优化变量构建多目标优化函数；构建双路径求解策略，包括将多目标优化函数转化为单目标求取单一最优解，以及求取多目标的帕累托前沿；

37、优化方案求解模块；建立优化变量与风险指标的多目标求解代理模型，进行双路径迭代求解；在迭代过程中对双路径的求解结果进行交互校验，并将候选解反馈至代理模型进行误差计算以更新代理模型的训练，直至双路径求解均收敛，输出寻优方案。

38、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

39、1、通过构建电场、热场、机械场和流场之间的双向数据交互机制，并引入材料参数随温度及电场变化的动态关联模型，实现了复合绝缘子在复杂运行环境下的多物理场耦合建模与联合求解。本发明方案能够综合反映电场分布、温度变化、结构变形以及应力响应之间的相互影响关系，避免单一物理场分析造成的评估偏差，提高了绝缘子运行状态分析及失效风险预测的准确性。

40、2、通过基于多场计算结果构建涵盖电气失效、热失效、机械失效以及制造成本的多目标优化模型，并采用单目标优化与帕累托前沿搜索相结合的双路径求解策略，实现对绝缘子结构参数的综合寻优。同时，通过建立优化变量与风险指标之间的代理模型，并利用双路径结果交互校验及迭代更新机制减少复杂多场计算过程中的重复求解，提高优化过程的收敛效率，使获得的设计方案能够在降低多类失效风险的同时兼顾工程制造需求。