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精品文檔X X X X軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)8歡迎下載8歡迎下載。第 8 頁(yè)精品文檔目 錄目 錄11 軟件設(shè)計(jì)背景22 實(shí)現(xiàn)功能23 工作原理23.1 電場(chǎng)優(yōu)化原理23.2 軟件實(shí)現(xiàn)44 模塊介紹與接口設(shè)計(jì)44.1 介電常數(shù)分布優(yōu)化模塊54.2 盆式絕緣子電場(chǎng)計(jì)算模塊54.3 接口設(shè)計(jì)75 軟件運(yùn)行操作步驟96 使用注意事項(xiàng)91 軟件設(shè)計(jì)背景盆式絕緣子作為氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）核心組成部件，其絕緣性能直接影響GIS設(shè)備的可靠性。盆式絕緣子的絕緣性能除了與絕緣子結(jié)構(gòu)、屏蔽罩、氣體壓強(qiáng)、電場(chǎng)特性相關(guān)外，與絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)/電導(dǎo)率等參數(shù)亦密切相關(guān)。傳統(tǒng)的盆式絕緣子沿面電場(chǎng)優(yōu)化主要是通過(guò)改變形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法易導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加設(shè)備制造難度，調(diào)控效果也較為有限。介電功能梯度材料(Dielectric functionally graded materials，d-FGM)的出現(xiàn)為電場(chǎng)優(yōu)化提供了新的思路，該優(yōu)化方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)控方式靈活的優(yōu)勢(shì)。功能梯度材料是在確定物料特性參數(shù)的情況下，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的制備技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素沿特定方向連續(xù)變化，使得材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的一種新型材料。優(yōu)化設(shè)計(jì)、制備、性能評(píng)價(jià)是功能梯度材料研究的三個(gè)重要環(huán)節(jié)，其中，功能梯度材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)是首先要解決環(huán)節(jié)，本軟件設(shè)計(jì)的目的就是完成介電功能梯度材料盆式絕緣子徑向介電常數(shù)分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2 實(shí)現(xiàn)功能該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)GIS/GIL中盆式絕緣子簡(jiǎn)化模型的建立與電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，完成對(duì)盆式絕緣子的徑向介電常數(shù)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低盆式絕緣子沿面最大場(chǎng)強(qiáng)，提高沿面電場(chǎng)分布的均勻度。該算法操作簡(jiǎn)單，具有優(yōu)化精度高、可重復(fù)性強(qiáng)、優(yōu)化速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，便于二次開(kāi)發(fā)。3 工作原理3.1 電場(chǎng)優(yōu)化原理在由兩層電介質(zhì)串聯(lián)而成的同軸圓柱體中，施加以交流電壓U，內(nèi)、外層電介質(zhì)的介電常數(shù)分別為1、2，場(chǎng)中某點(diǎn)離軸線的距離為r，相關(guān)參數(shù)的定義如圖所示。電介質(zhì)中電通密度取半徑方向，在電介質(zhì)分界面處，不同電介質(zhì)中電通密度的法向分量連續(xù)，于是有D1=D2，即考慮到U=U1+U2，可得兩層電介質(zhì)上的電壓分別為：各層中的最大場(chǎng)強(qiáng)均在其內(nèi)表面，可得當(dāng)雙層電介質(zhì)的介電常數(shù)相同時(shí)，由于r1E2, max；當(dāng)雙層電介質(zhì)的介電常數(shù)不同且12時(shí)，E1, max、E2, max的取值會(huì)比較接近，調(diào)節(jié)介電常數(shù)優(yōu)化電場(chǎng)分布的原理如圖1所示。圖1 介電常數(shù)的變化對(duì)電場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用針對(duì)m層電介質(zhì)串聯(lián)而成的同軸圓柱體，在半徑rn處，第n層絕緣上分得的最大場(chǎng)強(qiáng)為：可知根據(jù)多層電介質(zhì)中電感應(yīng)強(qiáng)度保持不變的原理，在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域增加介電常數(shù)取值、在弱電場(chǎng)區(qū)域降低介電常數(shù)取值以優(yōu)化電場(chǎng)分布。對(duì)于喇叭形結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)，上述電場(chǎng)優(yōu)化方法同樣適用。3.2 軟件實(shí)現(xiàn)d-FGM盆式絕緣子介電常數(shù)分布優(yōu)化采用MATLAB與ANSYS聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)。MATLAB完成介電常數(shù)的優(yōu)化與更新工作，MATLAB代碼調(diào)用ANSYS運(yùn)行實(shí)現(xiàn)盆式絕緣子電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。4 模塊介紹與接口設(shè)計(jì)基于沿面場(chǎng)強(qiáng)反饋的d-FGM盆式絕緣子介電常數(shù)分布優(yōu)化軟件整體上可分為盆式絕緣子電場(chǎng)計(jì)算模塊、介電常數(shù)分布優(yōu)化模塊、MATLAB調(diào)用ANSYS接口設(shè)計(jì)三個(gè)部分，各模塊之間的關(guān)系如圖3所示。圖3 各模塊關(guān)系圖4.1 介電常數(shù)分布優(yōu)化模塊盆式絕緣子徑向介電常數(shù)分布優(yōu)化由軟件MATLAB實(shí)現(xiàn)。該模塊的程序主要涉及變量賦值、矩陣運(yùn)算、for循環(huán)(如forelse end)、矩陣最大值的提取、邏輯運(yùn)算(如if.else.end)等基本操作，主要命令實(shí)現(xiàn)的功能已在原程序中注釋。 if a(j)b(j) c(j)=a(j); else c(j)=b(j); End上述命令將a(j)、b(j)中的最大值賦值給c(j)。4.2 盆式絕緣子電場(chǎng)計(jì)算模塊盆式絕緣子電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算由軟件ANSYS完成，通過(guò)APDL編寫(xiě)仿真命令，完成盆式絕緣子模型的建立與求解。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL是一種類似于FORTRAN的解釋性語(yǔ)言，作為ANSYS的二次開(kāi)發(fā)工具，APDL可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示。仿真程序可分為如下三個(gè)部分：（1）建立有限元模型 主要包括建立幾何模型；定義單元、材料屬性；劃分網(wǎng)格，主要命令的介紹如下：ET,1,PLANE121 ！*ET命令用于從單元庫(kù)中定義一個(gè)單元類型 KEYOPT,1,3,1 ！*給建立的模型施加軸對(duì)稱屬性MP,PERX,1,A ！*定義材料1的相對(duì)介電常數(shù)為A K,1,40,40, ！*定義節(jié)點(diǎn)位置A,1,2,4,3 ！*由節(jié)點(diǎn)定義面積AESIZE,1,0.75 ！*設(shè)置網(wǎng)格的大小為0.75MSHAPE,0,2D ！*定義網(wǎng)格形狀，0表示四邊形；2D表示二維MSHKEY,1 ！*定義網(wǎng)格劃分類型，1表示映射網(wǎng)格劃分AMESH,1,10,1 ！*選擇需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分的區(qū)域（2）加載與求解施加載荷與其他邊界條件并求解，主要命令的介紹如下：DL,36, ,VOLT,100000 ！*在線端36上施加電壓100000V （3）查看與處理結(jié)果查看分析結(jié)果與導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果，主要命令的介紹如下：PATH,path-1,2,6,60, ！*定義一個(gè)路徑名并為路徑定義參數(shù)PPATH,1,0,40,70,0, ！*用于確定路徑生成的方式PDEF,AAA,EF,SUM,NOAVG ！*將分析計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)映射到已定義的路徑有限元分析流程如圖4所示。圖 4 有限元分析流程圖利用ANSYS后臺(tái)執(zhí)行模式執(zhí)行命令文件，執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)啟動(dòng)GUI畫(huà)面，可以極大縮短運(yùn)算時(shí)間。ANSYS命令文件的最后一行要