一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法及系统与流程
本发明涉及多物理场仿真，尤其涉及一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法及系统。
背景技术：
1、支柱瓷绝缘子作为高压输电系统的关键支撑与关键的绝缘部件，它的结构完整性直接关系电网安全。当电网中的绝缘子存在内部裂纹或表面孔洞等机械损伤时，可能会导致这个绝缘子在运行中突发断裂，可能导致所在电网发生重大事故。现有的研究人员开始用过无损检测技术来尝试通过光声效应探测此类缺陷，但是整体上还是缺乏可靠的理论依据和数据支撑。现有技术中研究人员通常仍依赖于通过多物理场仿真来建立缺陷与光声信号之间的映射关系。
2、然而现有技术中的仿真方法存在明显的不足。在现有技术的仿真过程中机械损伤常被简化为规则几何体，无法真实的反映裂纹的曲率、走向和空间分布，由于损伤几何形态直接决定应力集中分布与热传导路径，这种几何失真会导致仿真获得的应力场与温度场偏离物理真实情况，进而从根本上限制光声信号的仿真保真度。其次，光-热-力三场耦合的过程一般都是采用单向顺序求解，不会考虑热应力对温度场的反馈作用，而在实际物理过程中，材料受热膨胀产生的变形会改变其表面辐射特性与内部热接触状态，从而反过来影响热传导过程。现有技术缺乏在关键时间步将应力场反馈至热传导方程以修正边界条件的机制，由此产生的累积误差会导致光声压信号的波形畸变与幅值偏差。此外，网格划分过于均匀的话，会导致在应力集中区的仿真精度不足，很难捕捉到微小的缺陷引起的信号调制。
3、上述的这些问题会使得仿真结果与物理实验偏差较大，无法为后续检测算法提供可信的训练数据或实验指导，严重的制约了基于仿真的数字孪生技术在电力设备结构健康监测领域的深入应用。因此急需一种高保真的多物理场仿真方法，以获得准确的损伤-光声信号映射关系，为后续检测提供数据基础。
技术实现思路
1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
2、因此，本发明提供一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法及系统，解决多物理场仿真中绝缘子机械损伤建模失真、场耦合不准确导致光声信号预测偏差的问题。
3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
4、第一方面，本发明提供了一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法，包括：
5、根据支柱瓷绝缘子的几何结构构建三维实体模型，并为所述三维实体模型的不同区域赋予对应的材料物理属性；
6、响应于待识别的机械损伤类型，在所述三维实体模型中植入具有特定几何形态的损伤特征，并在所述损伤特征及其邻近区域执行局部网格加密；
7、根据脉冲激光的激发参数，求解电磁波方程得到能量沉积分布，将所述能量沉积分布作为热源求解瞬态热传导方程得到温度场，再将所述温度场作为载荷求解瞬态弹性力学方程得到光声压信号；
8、根据所述光声压信号提取特征参数，并通过固定变量法解耦出机械损伤的几何形态对所述特征参数的独立影响规律。
9、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述根据支柱瓷绝缘子的几何结构构建三维实体模型，并为所述三维实体模型的不同区域赋予对应的材料物理属性，包括：
10、获取支柱瓷绝缘子的设计图纸，构建包含伞裙和芯棒的完整三维几何体；
11、确定瓷质伞裙区域对应的热导率、热膨胀系数、杨氏模量和泊松比，并将所述材料物理属性赋值给所述三维几何体的伞裙部分。
12、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述响应于待识别的机械损伤类型，在所述三维实体模型中植入具有特定几何形态的损伤特征，并在所述损伤特征及其邻近区域执行局部网格加密，包括：
13、确定所述机械损伤类型为内部裂纹时，将所述损伤特征建模为位于所述芯棒内部的零厚度曲面，所述零厚度曲面具有预设的长度、深度和空间走向；
14、确定所述机械损伤类型为表面孔洞时，将所述损伤特征建模为位于所述伞裙表面的实体凹陷，所述实体凹陷具有预设的直径和深度；
15、围绕所述零厚度曲面或所述实体凹陷的边界，生成尺寸逐层增大的多级过渡网格单元。
16、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述根据脉冲激光的激发参数，求解电磁波方程得到能量沉积分布，将所述能量沉积分布作为热源求解瞬态热传导方程得到温度场，再将所述温度场作为载荷求解瞬态弹性力学方程得到光声压信号，包括：
17、在频域内求解麦克斯韦方程组，计算脉冲激光在所述三维实体模型内部的光强分布，并根据所述光强分布和材料吸收系数确定所述能量沉积分布；
18、基于所述能量沉积分布、材料热导率和热容，求解包含热对流与热辐射边界条件的瞬态热传导方程，得到随时间演化的三维温度场；
19、将所述三维温度场与材料热膨胀系数相乘，得到等效的热应变场，并将所述热应变场作为初始条件代入瞬态弹性力学方程，求解得到绝缘子表面的位移时程曲线，所述位移时程曲线作为所述光声压信号。
20、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述将所述三维温度场与材料热膨胀系数相乘，得到等效的热应变场，并将所述热应变场作为初始条件代入瞬态弹性力学方程，求解得到绝缘子表面的位移时程曲线，包括：
21、在求解瞬态弹性力学方程的关键时间步，将由位移场计算得到的应力场反馈至热传导方程，修正热边界条件；
22、重复执行热传导方程与弹性力学方程的求解，直至连续两次迭代得到的位移时程曲线之间的差异小于收敛阈值。
23、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述根据所述光声压信号提取特征参数，并通过固定变量法解耦出机械损伤的几何形态对所述特征参数的独立影响规律，包括：
24、对所述光声压信号进行傅里叶变换，得到频域谱图，并从所述频域谱图中读取主峰频率和主峰幅值作为所述特征参数；
25、固定除第一损伤几何参数外的所有输入变量，改变所述第一损伤几何参数的取值，记录对应的所述主峰频率和所述主峰幅值的变化轨迹；
26、根据所述变化轨迹，建立所述第一损伤几何参数与所述主峰频率、所述主峰幅值之间的单调性或非线性映射关系。
27、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述第一损伤几何参数包括裂纹长度、裂纹深度、孔洞直径中的任意一项。
28、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：根据所述光声压信号提取特征参数之后，还包括：
29、将所述特征参数与所述机械损伤的几何形态进行关联存储，构建机械损伤-光声特征数据库；
30、响应于新的待测绝缘子的实测光声压信号，从所述机械损伤-光声特征数据库中检索匹配的特征参数，识别出所述待测绝缘子的机械损伤类型和几何形态。
31、作为本发明所述的一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析方法的一种优选方案，其中：所述将所述特征参数与所述机械损伤的几何形态进行关联存储，构建机械损伤-光声特征数据库，包括：
32、为每一次仿真运行分配唯一标识符，并将所述唯一标识符、所述机械损伤的完整几何描述、所有材料物理属性、激光激发参数以及提取的所述特征参数共同写入数据库记录。
33、第二方面，本发明提供了一种基于多物理场仿真的绝缘子机械损伤分析系统，包括：
34、模型构建模块，用于根据支柱瓷绝缘子的几何结构构建三维实体模型，并为所述三维实体模型的不同区域赋予对应的材料物理属性；
35、植入模块，用于响应于待识别的机械损伤类型，在所述三维实体模型中植入具有特定几何形态的损伤特征，并在所述损伤特征及其邻近区域执行局部网格加密；
36、求解模块，用于根据脉冲激光的激发参数，求解电磁波方程得到能量沉积分布，将所述能量沉积分布作为热源求解瞬态热传导方程得到温度场，再将所述温度场作为载荷求解瞬态弹性力学方程得到光声压信号；
37、解耦模块，用于根据所述光声压信号提取特征参数，并通过固定变量法解耦出机械损伤的几何形态对所述特征参数的独立影响规律。
38、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过构建包含伞裙与芯棒细节的三维绝缘子模型，同时赋予区域化材料属性；同时在模型中植入具有真实几何形态的裂纹或孔洞，并在损伤区域实施局部网格加密；依次求解电磁波、瞬态热传导与瞬态弹性力学方程，获取光声压信号，在关键时间步引入热-力双向迭代以提升耦合精度；进一步通过固定变量法分析不同损伤参数对信号特征的独立影响。本发明提升现有技术仿真对真实物理过程的还原能力，为电网中绝缘子缺陷的识别提供了高保真的数据基础。