一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法

1.本发明属于电力技术领域，涉及一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法。


背景技术：

2.当前，能源电力行业处于快速变革和发展时期，针对我国的用电需求，中国国家电网有限公司已明确提出了“三型两网、世界一流”的战略目标。形成以特高压电网为主要骨干网架，智能配电网为分支，各级电网协同发展的智能电网发展布局。特高压输电线路的安全稳定运行是保证战略目标实现的有限手段。预绞式线夹作为架空输电线路的重要组成部分，一旦发生损坏，就会造成导地线掉落、回路跳闸，对电力系统的稳定运行产生严重威胁。
3.由于架空输电线输送距离长、服役环境复杂等特点，会受到来自外界气候因素、地理因素等影响，会造成架空输电线路在服役期间不断地发生振动，其中最危险的影响为微风振动，其持续作用时间较长，约占全年总时间的30％～50％。预绞式线夹长期处于这种循环振动状态，极其容易导致线夹磨损破坏，且破坏具有一定的隐蔽性。一般发生于导线与预绞式线夹接触部位，从外部无法直接发现，通常只有发生断丝破坏时，才引起巡线人员的注意，给巡线工作带来了一定的难度；并且由于制作、运输等因素影响，预绞丝与导线接触界面不为光滑的平面，这大大增加了预绞丝损坏的风险。因此，开展针对预绞式线夹双曲粗糙表面的研究分析十分有必要。
4.目前对预绞式线夹的微动磨损研究为理论与试验相结合的研究方法，这种方法不能反映微动磨损全过程的应力变化，无法得到任意进程中应力与磨损深度的关系，忽略了结构曲线界面及粗糙度对微动磨损的影响，并且该方法难以系统地评估微动因素对微动磨损程度的作用规律，因而需要找到一种能够评估预绞丝真实形貌的微动磨损仿真计算方法，从而为预绞式线夹减少发生微动磨损的风险提供参考，保证预绞式线夹在各种工况下运行的安全稳定性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明为了解决现有技术中预绞式线夹发生微动磨损时微动因素对磨损程度的影响，常规建模不能反映线夹结构曲线界面，以及忽略了线夹接触界面真实粗糙形貌影响的问题，提供一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，包括下述步骤：
8.s1、确定预绞式线夹中预绞丝与导线的结构参数；
9.s2、根据确定的结构参数构建线夹的双曲二维接触模型；
10.s3、使用w-m分形函数模拟预绞式线夹粗糙表面效应；
11.对w-m分形函数中参数分别进行赋值，具体的w-m分形函数为：
12.13.z为曲线高度；x为坐标位置；g为特征长度尺度系数；d为分形维数；γ为轮廓的空间频率；n为空间频率系数，n1为最低截止频率对应的系数。
14.s4、将w-m分形函数转化为具有双曲线性粗糙表面轮廓，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；
15.将w-m分形函数转化为具有双曲线性的曲面，通过直化曲公式将直线型粗糙表面转换成具有曲面特性的粗糙表面，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；具体地，直化曲公式为：
16.δy＝yi′‑
yiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
17.yi′
＝yi+δy＝yi+(r
2-x
i2
)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
18.其中，yi′
为曲线上一点，yi为直线上一点，δy为曲线点与直线点之间的垂直距离，r为线夹半径，x为点横轴坐标，将直化曲公式导入matlab中，从而生成分形轮廓点。
19.s5、通过python编程将分型轮廓点写入脚本程序中，在abaqus有限元软件中建立预绞式线夹双曲粗糙表面仿真模型。
20.进一步，步骤s1中结构参数包括预绞丝半径r1、导线半径r2、预绞丝与导线之间的夹角θ以及材料属性，材料属性指材料的密度、弹性模量、泊松比。
21.进一步，步骤s2中双曲二维接触模型中预绞丝与导线接触形式为双圆形截面点接触形式；由于预绞丝与导线为同向绞捻方式，丝与丝之间螺旋角度相差不大，近似看成平行状态，此时θ＝0，在接触区域处看成线-线接触形式。
22.进一步，步骤s3中当表面轮廓为正态分布时γ取1.5，n1与截取的长度l有关，
23.进一步，步骤s5中分形轮廓点通过python语言编程建立，再导入abaqus进行可视化分析。
24.本发明的有益效果在于：
25.1、本发明所公开的预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，采用二维简化模型的策略，相比三维模型，极大的节约了计算成本，提高了模型的求解效率。
26.2、本发明所公开的预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，采用双圆形截面接触形式相比曲面-平面接触形式，更接近真实接触状态，有效的模拟了线夹由于制作、运输等情况导致线夹形成不光滑表面，因此对粗糙度表面的微动磨损研究十分有必要。
27.3、本发明所公开的预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，w-m分形函数具有连续性、处处不可微、自仿射性等特征，因此常用来表征机械加工表面的微观轮廓；采用w-m分形函数模拟预绞丝与导线接触界面，当d一定时，可以得到唯一粗糙表面轮廓，能够还原真实形貌，计算结果更加真实可信，并且能够为预绞式线夹病害防治提供参考。
28.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
29.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优
选的详细描述，其中：
30.图1是本发明中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的磨损接触示意图；
31.图2是本发明中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的二维接触简化模型示意图；
32.图3是本发明中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的直线性粗糙表面轮廓示意图；
33.图4是本发明实施例中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的直化曲示意图；图4(a)为特征长度尺度系数g固定时直化曲示意图；图4(b)为分形维数d固定时直化曲示意图；
34.图5是本发明实施例中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的曲面轮廓粗糙表面示意图；
35.图6是本发明实施例中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的粗糙表面轮廓有限元接触轮廓示意图；
36.图7是本发明实施例中一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法中的光滑表面与粗糙表面接触应力之比示意图。
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
39.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
40.一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，包括下述步骤：
41.s1、确定预绞式线夹中预绞丝与导线的结构参数，结构参数包括预绞丝半径r1、导线半径r2、预绞丝与导线之间的夹角θ以及材料属性；
42.s2、参考图1、图2，根据确定的结构参数构建线夹的双曲二维接触模型；
43.双曲二维接触模型中预绞丝与导线接触形式为双圆形截面点接触形式；由于预绞
丝与导线为同向绞捻方式，丝与丝之间螺旋角度相差不大，可近似看成平行状态，此时θ＝0，在接触区域处可看成线-线接触形式，同时为了节约计算成本，考虑磨损点进入接触界面，而后离开接触界面，只研究预绞丝与导线一个接触点的微动磨损情况。
44.s3、使用w-m(weierstrass-mandellbrot)分形函数模拟预绞式线夹粗糙表面效应；
45.对w-m分形函数中参数分别进行赋值，具体的w-m分形函数为：
[0046][0047]
z为曲线高度；x为坐标位置；g为特征长度尺度系数；d为分形维数；γ为轮廓的空间频率，当表面轮廓为正态分布时取1.5；n为空间频率系数，n1为最低截止频率对应的系数，与截取的长度l有关，
[0048]
s4、参考图3，将w-m分形函数转化为具有双曲线性粗糙表面轮廓，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；
[0049]
将w-m分形函数转化为具有双曲线性的曲面，通过直化曲公式将直线型粗糙表面转换成具有曲面特性的粗糙表面，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；具体地，直化曲公式为：
[0050]
δy＝yi′‑
yiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
yi′
＝yi+δy＝yi+(r
2-x
i2
)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0052]
其中，yi′
为曲线上一点，yi为直线上一点，δy为曲线点与直线点之间的垂直距离，r为线夹半径，x为点横轴坐标，将直化曲公式导入matlab中，从而生成分形轮廓点。
[0053]
s5、通过python编程将分型轮廓点写入脚本程序中，在abaqus有限元软件中建立预绞式线夹双曲粗糙表面仿真模型。分形轮廓点通过python语言编程建立，再导入abaqus进行可视化分析。
[0054]
本实施以预绞式线夹微动磨损接触分析为例，阐明一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，具体实施步骤如下：
[0055]
(1)在matlab中，选取x＝0.3mm作为取样长度，以0.0025mm作为每个微凸体的间隔，共120个分形轮廓点。分形参数如表1所示，粗糙表面如图4所示。
[0056]
表1分形函数参数
[0057][0058]
(2)根据直化曲公式将直线性粗糙表面转换成曲面线性粗糙表面，如图5所示。
[0059]
(3)采用python语言编写程序导入abaqus中，建立双曲粗糙表面接触模型，并赋予表2所示结构参数，所建双曲粗糙接触表面有限元模型如图6所示。
[0060]
(4)通过对二维光滑接触模型与二维双曲粗糙表面接触模型施加竖向载荷，如图7所示，结果显示，对于光滑表面应力分布均匀，左右呈对称分布；粗糙表面有多个应力集中位置，与光滑表面有限元结果有明显的差别，而影响微动磨损的主要因素(接触应力、接触滑移)与接触状态直接有关，这说明粗糙表面对微动磨损有影响。
[0061]
表2预绞式线夹几何尺寸和材料参数
[0062][0063]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，其特征在于，包括下述步骤：s1、确定预绞式线夹中预绞丝与导线的结构参数；s2、根据确定的结构参数构建线夹的双曲二维接触模型；s3、使用w-m分形函数模拟预绞式线夹粗糙表面效应；对w-m分形函数中参数分别进行赋值，具体的w-m分形函数为：z为曲线高度；x为坐标位置；g为特征长度尺度系数；d为分形维数；γ为轮廓的空间频率；n为空间频率系数，n1为最低截止频率对应的系数。s4、将w-m分形函数转化为具有双曲线性粗糙表面轮廓，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；将w-m分形函数转化为具有双曲线性的曲面，通过直化曲公式将直线型粗糙表面转换成具有曲面特性的粗糙表面，使用matlab生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；具体地，直化曲公式为：δy＝y
i
′‑
y
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)y
i
′
＝y
i
+δy＝y
i
+(r
2-x
i2
)
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，y
i
′
为曲线上一点，y
i
为直线上一点，δy为曲线点与直线点之间的垂直距离，r为线夹半径，x为点横轴坐标，将直化曲公式导入matlab中，从而生成分形轮廓点。s5、将分型轮廓点写入脚本程序中，在abaqus有限元软件中建立预绞式线夹双曲粗糙表面仿真模型。2.如权利要求1所述预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，其特征在于，步骤s1中结构参数包括预绞丝半径r1、导线半径r2、预绞丝与导线之间的夹角θ以及材料属性，材料属性指材料的密度、弹性模量、泊松比。3.如权利要求1所述预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，其特征在于，步骤s2中双曲二维接触模型中预绞丝与导线接触形式为双圆形截面点接触形式；由于预绞丝与导线为同向绞捻方式，丝与丝之间螺旋角度相差不大，近似看成平行状态，此时θ＝0，在接触区域处看成线-线接触形式。4.如权利要求1所述预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，其特征在于，步骤s3中当表面轮廓为正态分布时γ取1.5，n1与截取的长度l有关，5.如权利要求1所述预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，其特征在于，步骤s5中分形轮廓点通过python语言编程建立，再导入abaqus进行可视化分析。

技术总结
本发明涉及一种预绞式线夹双曲粗糙表面的仿真建模方法，包括如下步骤：S1、确定预绞式线夹结构参数；S2、根据确定的结构参数构建线夹的二维几何模型；S3、使用W-M分形函数模拟预绞式线夹粗糙表面效应；S4、将W-M分形函数转化为具有双曲线性粗糙表面轮廓；S5、使用MATLAB生成分形后的轮廓曲线，并导出分型轮廓点；S6、通过Python编程将分型轮廓点写入脚本程序中，在有限元软件中建立预绞式线夹双曲粗糙表面仿真模型；将预绞式线夹接触面考虑为双曲粗糙表面接触形式，这与预绞丝和导线实际接触情况一致，有效的模拟了线夹由于制作、运输等情况导致线夹形成不光滑表面，因此对粗糙度表面的微动磨损研究十分有必要。微动磨损研究十分有必要。微动磨损研究十分有必要。


技术研发人员：刘小会 王曼娜 叶中飞 陶亚光 张博 伍川 刘光辉 王家林 张俊波
受保护的技术使用者：重庆交通大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/9/26