一种GIL三支柱绝缘子界面残余应力检测方法与装置

本发明涉及特高压gil绝缘子残余应力检测，具体为一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测方法与装置。

背景技术：

1、气体绝缘金属封闭输电线路gil是一种以sf6或其混合气体作为绝缘介质、将高压导体与接地金属外壳同轴封闭布置的新型大容量输电装备。

2、与传统架空输电线路和电力电缆相比，gil具有传输容量大、功率损耗低、运行可靠性高、占地空间小以及环境适应性强等优点，可根据工程需求采用水平、垂直或组合方式敷设于地下管廊、隧道及竖井内，能够较好适应复杂地形与受限空间条件，在穿山越岭、跨江过河、水电站送出以及城市输电走廊紧张区域具有显著应用优势；同时在高海拔、高寒及其他环境条件严苛地区同样具有重要应用价值，是特高压输电装备发展的重要方向。

3、在gil设备中，三支柱绝缘子是实现中心导体定位、气体绝缘分隔和机械支撑的关键部件，其一方面需要承受中心导体自重、装配载荷以及运行过程中的热-机械耦合作用，另一方面还需长期服役于强电场、温升和密闭气体环境之中，因此其结构完整性与绝缘可靠性直接关系到整段gil管道的安全运行，是特高压gil中兼具电气与机械双重功能的核心部件，也是制约设备长期安全可靠运行的关键薄弱环节。

4、三支柱绝缘子通常由环氧树脂、固化剂及氧化铝填料经真空浇注和高温固化制备而成，内部同时包含环氧复合材料、金属嵌件及半导电胶层等多相界面结构。由于不同材料之间热膨胀性能、弹性模量及收缩行为存在差异，在固化和降温阶段不可避免地会形成残余应力。其中，界面残余应变既来源于固化反应引起的化学收缩，也来源于冷却过程中的热收缩失配，在固化收缩、冷却收缩、热膨胀系数不匹配及外部载荷共同作用下，易产生较高的界面残余应力，并进一步诱发界面脱粘、局部开裂及绝缘性能劣化，最终导致绝缘失效。

5、现有研究表明，三支柱绝缘子的典型薄弱位置位于环氧-嵌件界面附近，裂纹往往从界面最大曲率区域起始并快速扩展；界面处若存在残余应力集中，则极有可能与外部载荷叠加并降低结构安全裕度。同时，固化工艺参数、材料组成非均匀性、界面几何形貌以及运行服役条件等多类因素会共同影响界面残余应力的分布状态，进一步提升了残余应力表征的难度。

6、在残余应力表征技术方面，对于金属材料，钻孔法、x射线衍射法、中子衍射法等已形成较成熟的残余应力测量体系；但对于环氧/氧化铝复合绝缘材料，由于其为高分子复合材料，且三支柱绝缘子结构尺寸大、曲面复杂、界面位置不可视，传统方法在空间可达性、检测深度及工程适用性方面均存在一定局限。

7、近年来，基于声弹性效应的超声检测方法逐渐成为环氧绝缘材料残余应力表征的重要研究方向，临界折射纵波方法已在环氧复合材料试样内部应力测试中显示出较好的应用潜力，针对三支柱绝缘子复杂曲面结构的微缺陷超声探测研究也在逐步推进。

8、但当前针对三支柱绝缘子复杂界面残余应力的系统研究仍相对不足，环氧-金属界面被包覆于结构内部，难以直接获取环氧侧残余应力分布，单点测试或单一指标往往难以全面反映界面真实应力状态，尚无法通过金属侧可检测信息实现环氧侧界面残余应力场的完整重构与危险区域精准识别。

9、因此，亟需一种能够对gil三支柱绝缘子界面残余应力进行无损检测、并由金属侧可测应力信息间接获取环氧侧界面残余应力完整分布的检测方法与装置。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的上述问题，提供了一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测方法与装置，解决了环氧侧界面应力难以直接检测的问题，提升了无损评估的准确性与工程适用性。

2、为实现上述目的，本发明提出一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测方法，包括以下步骤：

3、s1、基于gil三支柱绝缘子固化-降温过程中环氧复合材料与金属嵌件之间的热-化学-力学耦合关系，建立金属侧等效残余应力场与环氧复合材料侧界面残余应力场之间的映射模型；

4、s2、对待测三支柱绝缘子的金属嵌件进行超声纵波检测，基于薄壁圆筒力学将超声声速响应转换为金属侧超声等效应力场；

5、s3、将实测金属侧等效残余应力场输入所述映射模型，重构环氧复合材料侧界面残余应力场；

6、s4、根据重构的环氧复合材料侧界面残余应力场，提取第一主应力、vonmises等效应力和切应力合力的空间分布，识别界面失效危险区域。

7、优选的，所述s1中，所述热-化学-力学耦合关系通过如下方式建立：

8、s11、构建三支柱绝缘子固化过程的热-化学-力学耦合有限元模型，所述热-化学-力学耦合有限元模型包含固化反应放热、温度传递、固化度演化、化学收缩及降温热收缩因素；

9、s12、引入黏弹性本构模型描述降温阶段环氧复合材料的应力松弛行为；

10、s13、通过界面残余应变实验对仿真结果进行修正，以反映不同降温速率下终态残余应力的变化。

11、优选的，所述黏弹性本构模型描述降温阶段环氧复合材料的应力松弛行为采用广义maxwell模型表示：

12、；

13、式中，为t时刻的应力张量，为t时刻的应变张量，为充分松弛后的弹性刚度张量，为第k个黏弹性支路对应的松弛刚度张量或prony级数中的第k项权重系数，为第k个黏弹性支路的特征松弛时间，n为prony级数项数，t为当前时刻，为历史时刻的积分变量，表示环氧复合材料各向同性。

14、优选的，所述通过界面残余应变实验对仿真结果进行修正包括：

15、在环氧复合材料-金属界面验证试样的界面测点和验证测点布置应变片和热电偶，同步采集固化降温过程中的局部形变量和温度历程，比较不同降温速率下实测与仿真形变量；

16、对仿真结果采用热膨胀系数补偿方法对降温阶段的环氧复合材料力学响应进行修正：在降温阶段对环氧复合材料热膨胀系数引入修正因子，补偿后的热膨胀系数满足，通过迭代调整修正因子，令界面指定测点的仿真终态应变与实验实测值的误差最小化。

17、优选的，所述应变片使用半桥接法进行温度补偿，并结合测点温差进行二次修正，修正后由应力引起的机械应变满足：

18、；

19、式中，为应变采集仪输出的表观应变，为材料自由热应变，为应变片温度漂移修正量。

20、优选的，所述s1中，映射模型通过如下方式建立：

21、采用主成分分析方法分别对金属嵌件侧与环氧复合材料侧的界面残余应力场进行降维处理，得到对应侧界面应力场的低维主成分系数；

22、以金属侧主成分系数为输入、环氧复合材料侧主成分系数为输出，构建支持向量回归或多层感知机的机器学习回归模型；

23、通过主成分逆变换将预测得到的环氧复合材料侧主成分系数还原为环氧复合材料侧界面残余应力场。

24、优选的，所述主成分分析降维处理的具体过程为：

25、将单组工况下的界面残余应力场展开为应力向量：

26、；

27、其中，

x

i为第

i组工况下界面残余应力场展开得到的应力向量,

i为工况编号；

p

j为界面上的第

j个离散采样点，

j=1,2,…，m；m为界面离散采样点数量；为第

i组工况下采样点

p

j处的应力状态，由三个正应力分量和三个剪应力分量组成；表示由个实数组成的向量空间；

28、构造包含n组工况的样本矩阵，对样本矩阵进行中心化处理后求解其协方差矩阵的特征值与特征向量，按特征值从大到小选取前

r个主成分；

29、其中，

x为由

n组仿真工况构成的原始样本矩阵；

n为仿真工况总数，即样本数量，

i=1,2,…，

n；

d为单个应力样本的维数；表示构成的

n行

d列矩阵空间；

30、用少量主成分对原始高维应力场进行近似表征，计算第i组工况在第k个主成分方向上的系数：

31、；

32、式中，为中心化后的应力向量，为第k个主成分对应的单位特征向量；

33、由主成分系数对原始应力场进行近似重构：

34、；

35、式中，为第i组工况的重构应力场，为样本均值向量。

36、优选的，所述s2中，对待测三支柱绝缘子的金属嵌件进行超声纵波检测，基于薄壁圆筒力学近似将超声声速响应转换为金属侧超声等效应力场的具体过程为：

37、s21、将中心金属套筒近似为薄壁圆筒结构，忽略径向正应力及与径向相关的剪应力分量，金属嵌件侧的应力张量简化为：

38、；

39、式中，为周向应力，为轴向应力；

40、s22、沿金属嵌件径向传播的超声纵波满足声弹性关系：

41、；

42、式中，为存在残余应力时沿径向传播的纵波声速，为无应力状态下的径向纵波声速，为纵波声弹性系数；

43、s23、定义超声等效应力为：

44、；

45、根据实测声速计算各检测点的超声等效应力，经网格化区域平均后构成金属侧超声等效应力场。

46、一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测装置，应用于任一项所述的一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测方法，包括：

47、有限元仿真模块，用于建立gil三支柱绝缘子固化-降温过程的热-化学-力学耦合有限元模型；

48、超声检测模块，用于对待测三支柱绝缘子的金属嵌件发射并接收超声纵波，采集回波信号并计算声速，所述超声检测模块包括超声纵波探头、超声脉冲发生器、示波器及上位机；

49、降维建模模块，用于采用主成分分析对界面残余应力张量场进行降维处理；

50、应力反演重构模块，用于将实测超声声速转换为金属侧超声等效应力场，输入映射模型后通过主成分逆变换重构环氧复合材料侧界面残余应力场；

51、危险区域识别模块，用于提取环氧复合材料侧界面第一主应力、vonmises等效应力与切应力合力的空间分布，输出界面失效危险区域。

52、优选的，所述超声纵波探头前端设有与金属嵌件圆柱曲面相匹配的弧形耦合结构，所述超声检测模块采用反射法测量，超声纵波在金属嵌件中沿局部厚度方向传播并在另一侧界面发生反射。

53、因此，本发明提出了一种gil三支柱绝缘子界面残余应力检测方法与装置，其有益效果如下：

54、（1）构建包含固化反应、热传导、化学收缩、热收缩及黏弹性应力松弛的高精度仿真模型，将固化温度、降温速率等工艺参数与残余应力形成过程相耦合，解决了传统模型无法表征降温速率对终态应力影响的问题，实现了不同工艺下金属与环氧侧界面应力场的关联建模，为应力反演提供物理基础；

55、（2）结合主成分分析降维、机器学习回归与超声声弹性检测，将薄壁金属嵌件的超声可测量转化为等效应力表征量，实现了环氧侧界面残余应力场间接重构，能够精准识别界面端部失效危险区域，为绝缘子界面残余应力无损评估提供了技术支撑。

56、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。