【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及帶電作業工具，特別涉及基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法。
技術介紹
1、隨著電力工業的快速發展，特高壓輸電線路的建設和運維成為了電力領域的重要課題。特高壓輸電線路具有電壓等級高、輸電容量大、傳輸距離遠等特點，其安全穩定運行對于電力系統的可靠性和經濟性至關重要。然而，特高壓輸電線路的帶電作業，尤其是絕緣子串的更換作業，對承力工器具的性能提出了極高的要求。
2、傳統的帶電作業承力工器具，如絕緣拉棒，在設計時往往側重于滿足基本的電氣性能和機械性能，而忽略了輕量化設計的需求。隨著特高壓輸電線路電壓等級的提升和絕緣子串重量的增加，帶電作業承力工器具的長度和質量也隨之增大，這不僅增加了帶電作業的難度和風險，還嚴重影響了帶電作業人員的安全性和作業效率。
3、在帶電作業工器具的優化研究中，試錯法優化和有限元仿真優化方法已經得到了一定的應用。試錯法優化通過反復試驗和修改設計參數來尋找最優解，但這種方法耗時耗力，且優化效果受限于設計人員的經驗和直覺。有限元仿真優化方法則通過建立工器具的三維模型和有限元分析模型，對工器具的電氣性能和機械性能進行仿真分析，從而優化設計參數。然而，隨著特高壓輸電線路帶電作業難度的增加，傳統的優化方法已經難以滿足帶電作業承力工器具輕量化設計的需求。
4、目前，帶電作業承力工器具輕量化設計的研究逐漸成為熱點，但利用多目標優化算法進行輕量化設計仍是一片空白。多目標優化算法能夠綜合考慮多個設計目標，如質量、電場強度、應力和應變量等，通過尋找這些目標之間的最優平衡點，實現
5、因此，亟需本領域技術人員開展綜合考慮絕緣性能和機械性能的帶電作業承力工器具輕量化設計方案，利用多目標優化算法對工器具進行優化設計，以減輕帶電作業人員的作業負擔，提高工作效率，并提升帶電作業的安全性。
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種基于多目標優化算法對大噸位絕緣拉棒輕量化設計的方法，解決現有帶電作業工具領域，特別是大荷載絕緣拉棒輕量化設計中存在的技術問題。
2、為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，包括以下步驟：
3、step1：特高壓帶電作業絕緣拉棒電氣與力學性能設定；
4、step2：三維模型約束條件解析計算，通過三維建模軟件搭建絕緣拉棒的三維模型，并通過有限元分析軟件設定有限元分析的約束條件；
5、step3：數據集獲取，通過正交化試驗設計確定優化參數范圍，并利用matlab、comsol和solidworks聯合仿真記錄數據；
6、step4：數學優化模型分析，選取將多目標優化轉變為單目標優化的求解方式，設定目標函數、設計變量和約束條件；
7、step5：優化方法選取，采用粒子群-灰狼優化算法，并通過sine-tent-cosine混沌映射種群初始化和縱橫交叉策略進行改進；
8、step6：模型優化求解及仿真驗證，利用優化方法得到的最優解構建最優設計方案，并通過有限元仿真分析模型對優化方案進行驗證。
9、優選的方案中，所述step1中特高壓帶電作業絕緣拉棒電氣與力學性能設定，包括確定絕緣拉棒的最大荷載能力、各部件連接方式以及輕量化目標，各部件連接方式包括楔形連接、壓接連接和內錐螺紋連接。
10、優選的方案中，所述step2中三維建模軟件為solidworks，有限元分析軟件為comsol。
11、優選的方案中，所述step3中優化參數范圍，是根據實際設計經驗以及有限元仿真試驗結果選取絕緣拉棒需優化的部件及參數范圍。
12、優選的方案中，所述step3中正交化試驗設計通過spss軟件設計正交化試驗方案，具體是基于正交表將多個因素的不同水平進行組合，保證各個因素之間相互獨立，確定最優的因素組合，采用matlab調用solidworks和comsol，其中solidworks是對絕緣拉棒進行三維建模，comsol是進行電場和力學仿真，通過matlab調整solidworks中三維模型關鍵部件參數，調用comsol對三維模型添加材料、施加約束條件、劃分網格，實現參數化建模、全自動建模迭代分析，獲取所需的優化數據集。
13、優選的方案中，所述step3中正交化試驗設計，各因素為各關鍵部位尺寸，水平數為四，分別為最大電場強度、最大應力、最大應變以及部件總質量，根據因素水平數，確定試驗的正交表。
14、優選的方案中，所述step4中數學優化模型的目標函數為絕緣拉棒的質量最小，設計變量為絕緣拉棒優化設計的具體部件參數，約束條件包括設計變量范圍約束、最大電場強度、最大應力和最大應變約束條件，數學優化模型的數學表達式為：
15、（1）
16、式中，為絕緣拉棒的重量，為絕緣拉棒各部分材料密度，為最大許用應力，為最大應變量，為最大電場強度，為部件截面面積，為部件長度，為絕緣拉棒最大允許應變量。
17、優選的方案中，所述step5中優化方法選用粒子群-灰狼優化算法，并通過sine-tent-cosine混沌映射種群初始化、縱橫交叉策略進一步改進粒子群-灰狼算法，sine-tent-cosine混沌映射種群初始化包括復合型混沌系統，用于克服混沌行為有限和生成的混沌序列呈現非均勻數據分布等不足，sine-tent-cosine混沌映射種群初始化的數學函數表達式為：
18、（2）
19、式中，為初始解，為生成的解，為（0，1）內的控制參數。
20、優選的方案中，所述step5中縱橫交叉策略通過水平交叉搜索因子和垂直交叉搜索因子增強全局搜索能力，保持種群多樣性，所有個體在兩個維度上進行的算術交叉，即垂直交叉，其數學模型為：
21、（3）
22、式中，為（0，1）內的隨機數，為第維度的父代個體，為第維度的父代個體；
23、兩個不同個體在所有維度上進行的算術交叉，即水平交叉，其數學模型為：
24、（4）
25、式中，和為（-1，1）內的兩個隨機數，和為（0，1）內的兩個隨機數，和為第維度的父代個體和。
26、優選的方案中，所述step6中的優化方案不能達到特高壓承力工器具的電氣性能、力學性能和輕量化等約束條件和目標條件要求，則調整數學優化模型或優化方法，直至優化后的設計方案滿足實際設計要求。
27、本專利技術提供的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，有如下有益效果：
28、1、本專利技術解決了現有帶電作業工具領域，特別是大荷載絕緣拉棒輕量化設計中存在的技術問題，滿足了承力工器具輕量化設計的需求；
29、2、本專利技術相較于傳統的試錯法優化和有限元仿真優化方法，該方本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step1中特高壓帶電作業絕緣拉棒電氣與力學性能設定，包括確定絕緣拉棒的最大荷載能力、各部件連接方式以及輕量化目標，各部件連接方式包括楔形連接、壓接連接和內錐螺紋連接。
3.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step2中三維建模軟件為SolidWorks，有限元分析軟件為COMSOL。
4.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step3中優化參數范圍，是根據實際設計經驗以及有限元仿真試驗結果選取絕緣拉棒需優化的部件及參數范圍。
5.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step3中正交化試驗設計通過SPSS軟件設計正交化試驗方案，具體是基于正交表將多個因素的不同水平進行組合，保證各個因素之間相互獨立，確定最優的因素組合，采用MATLAB調
6.根據權利要求6所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step3中正交化試驗設計，各因素為各關鍵部位尺寸，水平數為四，分別為最大電場強度、最大應力、最大應變以及部件總質量，根據因素水平數，確定試驗的正交表。
7.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step4中數學優化模型的目標函數為絕緣拉棒的質量最小，設計變量為絕緣拉棒優化設計的具體部件參數，約束條件包括設計變量范圍約束、最大電場強度、最大應力和最大應變約束條件，數學優化模型的數學表達式為：
8.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step5中優化方法選用粒子群-灰狼優化算法，并通過Sine-Tent-Cosine混沌映射種群初始化、縱橫交叉策略進一步改進粒子群-灰狼算法，Sine-Tent-Cosine混沌映射種群初始化包括復合型混沌系統，用于克服混沌行為有限和生成的混沌序列呈現非均勻數據分布等不足，Sine-Tent-Cosine混沌映射種群初始化的數學函數表達式為：
9.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step5中縱橫交叉策略通過水平交叉搜索因子和垂直交叉搜索因子增強全局搜索能力，保持種群多樣性，所有個體在兩個維度上進行的算術交叉，即垂直交叉，其數學模型為：
10.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述Step6中的優化方案不能達到特高壓承力工器具的電氣性能、力學性能和輕量化等約束條件和目標條件要求，則調整數學優化模型或優化方法，直至優化后的設計方案滿足實際設計要求。
...【技術特征摘要】
1.基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述step1中特高壓帶電作業絕緣拉棒電氣與力學性能設定，包括確定絕緣拉棒的最大荷載能力、各部件連接方式以及輕量化目標，各部件連接方式包括楔形連接、壓接連接和內錐螺紋連接。
3.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述step2中三維建模軟件為solidworks，有限元分析軟件為comsol。
4.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述step3中優化參數范圍，是根據實際設計經驗以及有限元仿真試驗結果選取絕緣拉棒需優化的部件及參數范圍。
5.根據權利要求1所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述step3中正交化試驗設計通過spss軟件設計正交化試驗方案，具體是基于正交表將多個因素的不同水平進行組合，保證各個因素之間相互獨立，確定最優的因素組合，采用matlab調用solidworks和comsol，其中solidworks是對絕緣拉棒進行三維建模，comsol是進行電場和力學仿真，通過matlab調整solidworks中三維模型關鍵部件參數，調用comsol對三維模型添加材料、施加約束條件、劃分網格，實現參數化建模、全自動建模迭代分析，獲取所需的優化數據集。
6.根據權利要求6所述的基于多目標優化算法的絕緣拉棒輕量化設計方法，其特征在于：所述step3...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳田，吳濱帆，張雨秋，金迪，柏洋，谷桐，張桐，游暉，李明軒，謝哲航，梁書嘉，唐生燚，趙慧敏，吳晨，聶偉，劉佳，王瑜，朱姝，顏燕紅，吳鳳，
申請(專利權)人：三峽大學，
類型：發明
國別省市：
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