本發(fā)明涉及材料科學(xué)和電力設(shè)備絕緣，具體為一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的纖維素紙老化過(guò)程聚合度預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、大型油浸式電力變壓器中的油紙絕緣系統(tǒng)是確保設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵組件。纖維素紙作為主要的絕緣材料，其性能直接影響變壓器的絕緣效果和使用壽命。在變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，纖維素紙會(huì)受到熱、氧氣、水分等因素的影響，逐漸老化，表現(xiàn)為聚合度(dp)的下降。聚合度是衡量纖維素鏈完整性的一個(gè)重要指標(biāo)，聚合度的降低通常伴隨著材料力學(xué)性能的下降，如剛度、彈性和剪切強(qiáng)度的減弱。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，纖維素紙的聚合度通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量，如粘度測(cè)定法和化學(xué)分析法。然而，這些方法存在操作復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高的缺點(diǎn)，且難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聚合度的變化。因此，提出一種基于計(jì)算機(jī)模擬的聚合度預(yù)測(cè)方法，對(duì)于提升變壓器絕緣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)水平具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的纖維素紙老化過(guò)程聚合度預(yù)測(cè)方法，涉及材料科學(xué)和電力設(shè)備絕緣技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及變壓器絕緣材料的老化評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)。通過(guò)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬、力學(xué)性能分析和多變量回歸模型，該方法能夠在已知溫度、氧氣濃度、水分含量及初始聚合度的條件下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)纖維素紙?jiān)诶匣^(guò)程中的聚合度變化，為變壓器絕緣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供理論依據(jù)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)路線：

3、步驟一：建立纖維素紙的分子模型。纖維素是由高度聚合的碳?xì)浠衔锝M成，具體為一系列葡萄糖基團(tuán)鏈。纖維素分子的聚合度(dp)通常在1000到1200之間，這代表了每個(gè)纖維素分子中的葡萄糖單體數(shù)目。由于在變壓器的使用過(guò)程中，纖維素的聚合度會(huì)隨時(shí)間逐漸降低，因此模擬纖維素紙模型時(shí)，通常選取較小的聚合度以減少計(jì)算量。因此采用50個(gè)纖維二糖單元代替完整的纖維素鏈來(lái)構(gòu)建纖維素絕緣紙模型。纖維二糖是纖維素的基本結(jié)構(gòu)單元，由兩個(gè)通過(guò)β(1→4)糖苷鍵連接的β-d-葡萄糖分子組成。模型的尺寸設(shè)定為形成無(wú)定形周期系統(tǒng)，并分別添加不同濃度的氧氣(o2)和水分(h2o)分子，以模擬不同環(huán)境下的纖維素紙老化過(guò)程；

4、步驟二：首先，使用material?studio(ms)軟件中的forcite模塊對(duì)纖維素紙模型進(jìn)行幾何優(yōu)化，確保系統(tǒng)能量達(dá)到最低狀態(tài)。然后，通過(guò)動(dòng)力學(xué)功能(dynamic)對(duì)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型進(jìn)行弛豫和平衡優(yōu)化，以獲得最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模型。在298k溫度下，采用npt系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行30ps的弛豫，時(shí)間步長(zhǎng)為1fs。在這一過(guò)程中，系統(tǒng)的總能量相比初始狀態(tài)顯著降低，確保了模型的穩(wěn)定性，為后續(xù)模擬提供精確的基礎(chǔ)；

5、步驟三：采用lammps軟件進(jìn)行反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬。本文選擇cho.ff力場(chǎng)，它適用于烴類物質(zhì)的熱解過(guò)程。模擬的反應(yīng)溫度設(shè)定為2700k，該溫度只影響熱解過(guò)程中的反應(yīng)速率，而不會(huì)改變最終產(chǎn)物或反應(yīng)機(jī)制。首先，在300k下對(duì)模型進(jìn)行10ps的弛豫，然后在40ps內(nèi)將溫度逐漸升高至2700k，并在2700k條件下進(jìn)行50ps的反應(yīng)模擬。整個(gè)過(guò)程采用nvt正則系綜，即在恒溫恒體積條件下模擬反應(yīng)過(guò)程，確保在裂解過(guò)程中與外界無(wú)能量交換。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.1fs，并在模擬過(guò)程中每1000步輸出一次反應(yīng)狀態(tài)，以便后續(xù)對(duì)熱解過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析；

6、步驟四：分析纖維素紙?jiān)诓煌琽2和h2o濃度條件下的老化產(chǎn)物。主要研究的產(chǎn)物包括水(h2o)、一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、甲醛(hcho)和甲酸(hcooh)。模擬顯示，氧氣在纖維素分子中的作用體現(xiàn)在其能夠促進(jìn)羰基(c＝o)鍵的形成，并顯著增加醛類和酸類物質(zhì)的生成路徑及種類。水分則通過(guò)提供自由氫離子(h+)和羥基(oh-)加速了反應(yīng)進(jìn)程，進(jìn)一步促進(jìn)了酸類和醛類物質(zhì)的生成。在反應(yīng)過(guò)程中，氧氣不僅通過(guò)氧化作用增加了酸和醛的生成量，而且還顯著提升了這些物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性，進(jìn)而增加了co和co2的生成量；

7、步驟五：測(cè)研究氧氣和水分在纖維素紙老化過(guò)程中的協(xié)同作用機(jī)理。氧氣通過(guò)兩種主要途徑奪取氫原子：一是直接從碳鏈上奪取氫原子形成o-o-h鍵；二是通過(guò)直接與碳鏈結(jié)合取代氫原子。在系統(tǒng)中加入水分后，氧氣還會(huì)與水分中的氫原子結(jié)合形成o-o-h鍵和羥基(oh-)。系統(tǒng)中氫離子(h+)的增加進(jìn)一步加速了纖維素分子的降解過(guò)程，導(dǎo)致酸類和醛類產(chǎn)物的生成量顯著增加；

8、步驟六：對(duì)比分析不同系統(tǒng)中主要老化產(chǎn)物的生成規(guī)律，根據(jù)老化產(chǎn)物的生成情況，初步評(píng)估纖維素紙的聚合度變化情況。氧氣和水分的加入不僅增加了酸類和醛類物質(zhì)的生成量，還顯著提高了其氧化為co和co2的可能性。研究表明，在含有較高氧氣濃度的系統(tǒng)中，co和co2的最終濃度約為僅含纖維二糖系統(tǒng)的1.6倍。而在含有水分的系統(tǒng)中，水分通過(guò)提供自由羥基和氫離子進(jìn)一步促進(jìn)了酸和醛類物質(zhì)的生成，從而增加了co和co2的生成量。

9、步驟七：在分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中，隨著聚合度的降低，纖維素鏈的力學(xué)性能逐漸減弱，通過(guò)施加拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力，計(jì)算纖維素鏈的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，獲得楊氏模量、彈性模量和剪切模量等微觀力學(xué)參數(shù)。

10、步驟八：dp的變化是一個(gè)隨時(shí)間進(jìn)行的過(guò)程，因此需要考慮時(shí)間因素(如老化時(shí)間)的影響。在2700k的高溫條件下進(jìn)行反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬，老化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)(如斷鏈、氧化等)速率比常溫下要快得多。通過(guò)arrhenius公式，將高溫下的老化時(shí)間與實(shí)際工況下的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出一個(gè)等效的老化時(shí)間尺度。

11、步驟九：纖維素紙的老化過(guò)程是非線性的，許多環(huán)境因素(如溫度、氧氣濃度、水分濃度)對(duì)dp變化的影響是非線性的。使用對(duì)數(shù)、指數(shù)或其他非線性形式更好地捕捉這些效應(yīng)。引入楊氏模量、彈性模量和剪切模量，考慮材料宏觀力學(xué)性能對(duì)聚合度變化的影響。這些系數(shù)的負(fù)值表明，較高的力學(xué)性能通常會(huì)延緩dp的下降，反映了更高的材料剛性和韌性有助于減緩老化進(jìn)程。

12、步驟十：據(jù)多變量回歸分析，建立一個(gè)包含溫度、氧氣含量、水分含量及材料力學(xué)性能的模型。考慮到初始聚合度(dp)、溫度(t)、氧氣濃度(o2)、水分濃度(h2o)、時(shí)間(t)、以及楊氏模量(e)、彈性模量(g)、剪切模量(s)對(duì)dp變化的影響，纖維素絕緣紙的dp的變化遵循一個(gè)衰減模型：

13、dp(t)＝dp0×exp(-k×t)

14、其中，衰減系數(shù)k定義為：

15、

16、通過(guò)進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)擬合，使用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)擬合上述公式中的系數(shù)得出：

17、

18、該模型通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的最小二乘法，精確預(yù)測(cè)了不同條件下的聚合度變化趨勢(shì)，進(jìn)而用于評(píng)估纖維素紙?jiān)诶匣^(guò)程中的力學(xué)性能變化。

19、通過(guò)本發(fā)明提供的方法，能夠詳細(xì)研究纖維素紙?jiān)诓煌鯕夂退謼l件下的老化行為，揭示聚合度變化與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，為變壓器絕緣材料的使用壽命預(yù)測(cè)、材料選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。該方法不僅可以在微觀尺度上揭示纖維素紙老化過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，還可以為提高變壓器絕緣系統(tǒng)的安全性和可靠性提供科學(xué)的支持。