本技術(shù)涉及一種電力斷路器som代理建模方法，特別涉及一種電力高壓斷路器som特征量化代理建模方法，屬于斷路器som建模。

背景技術(shù)：

1、高壓斷路器是電力電網(wǎng)系統(tǒng)中最重要，同時又是最復(fù)雜的設(shè)備之一，斷路器受工作性質(zhì)的約束，決定了其必須承受高速沖擊載荷，并且保證高可靠性的特點(diǎn)。操動機(jī)構(gòu)是斷路器重要的組成部分，彈簧操動機(jī)構(gòu)(som)以彈簧為動力元件，通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動靜動觸頭完成分合閘，傳動機(jī)構(gòu)良好的運(yùn)動特性是保障機(jī)械系統(tǒng)性能與可靠度的基礎(chǔ)。受機(jī)械設(shè)計(jì)與加工制造限制，機(jī)構(gòu)間運(yùn)動副必然無法實(shí)現(xiàn)理想連接，運(yùn)動副間隙的存在導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏離理想設(shè)計(jì)值，同時引起運(yùn)動副本身的摩擦磨損，進(jìn)而促使接合面的破壞，造成更大的間隙。傳統(tǒng)物理試驗(yàn)方法成本高昂，易引入隨機(jī)誤差，隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)計(jì)算能力增強(qiáng)，在實(shí)際工程中運(yùn)用越來越廣泛，而有限元仿真建模前后處理占整個過程的大量時間，極大地增加了變參或優(yōu)化分析的成本代價(jià)，降低分析效率。

2、som常采用連桿機(jī)構(gòu)傳遞動力與運(yùn)動，各構(gòu)件間大量采用鉸接方式進(jìn)行連接。鉸接將引入鉸接銷軸與軸套，不可避免的引入運(yùn)動結(jié)合面，結(jié)合面的存在使得機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)不再具有連續(xù)性，導(dǎo)致了運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)問題求解的復(fù)雜性，而由于實(shí)際加工條件的限制、工程裝配的要求、設(shè)計(jì)方法的不足以及在使用過程中的摩擦磨損問題的存在，鉸接連接不可避免將出現(xiàn)間隙，間隙的影響導(dǎo)致連接構(gòu)件中沖擊問題更加突出，加劇接觸面的摩擦磨損，致使機(jī)械結(jié)構(gòu)接合面形貌變化，而接合面與機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、振動與振動控制及其動態(tài)特性存在著十分密切的關(guān)系，同時som受設(shè)計(jì)要求的限制，存在著嚴(yán)重的高速沖擊，因此對som鉸接間隙與及其磨損的研究具有較大價(jià)值。

3、現(xiàn)有技術(shù)的電力斷路器som代理建模方法需要解決的問題和本技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)包括：

4、(1)高壓斷路器som以彈簧為動力元件，通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動靜動觸頭完成分合閘，傳動機(jī)構(gòu)良好的運(yùn)動特性是保障機(jī)械系統(tǒng)性能與可靠度的基礎(chǔ)，但受機(jī)械設(shè)計(jì)與加工制造限制，機(jī)構(gòu)間運(yùn)動副無法實(shí)現(xiàn)理想連接，運(yùn)動副間隙的存在導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏離理想設(shè)計(jì)值，同時引起運(yùn)動副本身的摩擦磨損，進(jìn)而促使接合面的破壞，造成更大的間隙。現(xiàn)有技術(shù)物理試驗(yàn)方法成本高昂，易引入隨機(jī)誤差，現(xiàn)有技術(shù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真技術(shù)計(jì)算能力存在短板，而有限元仿真建模前后處理占整個過程的大量時間，極大地增加了變參或優(yōu)化分析的成本代價(jià)，降低分析效率，導(dǎo)致無法建立電力高壓斷路器som的有限元仿真模型，無法運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的修正與檢驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)基于特征的零部件量化建模，無法建立對象的有限元零部件量化模型，缺少開發(fā)參數(shù)信息管理輔助軟件，無法利用代理模型建立其仿真近似模型，無法分析鉸接間隙對鉸接副及機(jī)構(gòu)帶來的影響，無法機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供反饋。

5、(2)som采用連桿機(jī)構(gòu)傳遞動力與運(yùn)動，各構(gòu)件間大量采用鉸接方式進(jìn)行連接，鉸接將引入鉸接銷軸與軸套，不可避免的引入運(yùn)動結(jié)合面，結(jié)合面的存在使得機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)不再具有連續(xù)性，導(dǎo)致了運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)問題求解的復(fù)雜性，而由于實(shí)際加工條件的限制、工程裝配的要求、設(shè)計(jì)方法的不足以及在使用過程中的摩擦磨損問題的存在，鉸接連接不可避免將出現(xiàn)間隙，間隙的影響導(dǎo)致連接構(gòu)件中沖擊問題更加突出，加劇接觸面的摩擦磨損，致使機(jī)械結(jié)構(gòu)接合面形貌變化，而接合面與機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、振動與振動控制及其動態(tài)特性存在十分密切的關(guān)系，同時som受設(shè)計(jì)要求的限制，存在著嚴(yán)重的高速沖擊，但現(xiàn)有技術(shù)缺少對som鉸接間隙與及其磨損的研究，缺少高效可靠的電力斷路器som代理建模方法，無法創(chuàng)建基于空間最優(yōu)模型的代理建模程序來對操動機(jī)構(gòu)鉸接磨損研究分析，不利于電力高壓斷路器som的沖擊載荷和可靠性研究，給電力電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患。

6、(3)現(xiàn)有技術(shù)缺少對電力高壓斷路器som分析其結(jié)構(gòu)組成與運(yùn)動原理研究，沒有考慮工作環(huán)境中存在的高速沖擊問題，未對其材料模型、接觸模型進(jìn)行合理選擇，無法在abaqus環(huán)境下建立操動機(jī)構(gòu)的有限元仿真模型，沒有搭建物理試驗(yàn)臺以位移曲線對仿真模型進(jìn)行修改驗(yàn)證，缺少運(yùn)用特征建模思想進(jìn)行零部件的量化，無法根據(jù)幾何關(guān)系建立并求解構(gòu)造圖素的約束關(guān)系，無法建立機(jī)構(gòu)的矢量環(huán)方程與z向規(guī)格鏈，以定位規(guī)格、連桿長度、初始位置為變量，完成裝配體的零部件量化，缺少運(yùn)用c#開發(fā)零部件量化信息管理軟件輔助管理建模信息，沒有分析鉸接間隙導(dǎo)致的操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差及對鉸接副的影響。缺少基于空間最優(yōu)代理模型，無法建立研究對象的代理建模模型，運(yùn)用archard模型，以鉸接磨損程度為目標(biāo)進(jìn)行分析，最終造成不能對操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供很好的幫助，不利于斷路器som的研發(fā)設(shè)計(jì)和運(yùn)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)通過電力高壓斷路器som分析其結(jié)構(gòu)組成與運(yùn)動解析，對其進(jìn)行合理簡化，考慮工作環(huán)境中存在的高速沖擊問題，對材料模型、接觸模型進(jìn)行合理選擇，在abaqus環(huán)境下建立操動機(jī)構(gòu)的有限元仿真模型，運(yùn)用所搭建的物理試驗(yàn)臺，以位移曲線對仿真模型進(jìn)行修改驗(yàn)證，得到了具有較好吻合度的仿真模型。再運(yùn)用特征建模思想進(jìn)行零部件的零部件量化，將梗概圖圖素分為構(gòu)造圖素與輪廓圖素，根據(jù)幾何關(guān)系建立并求解構(gòu)造圖素的約束關(guān)系，利用所得構(gòu)造圖素計(jì)算輪廓圖素，結(jié)合特征參數(shù)完成零部件零部件量化。根據(jù)有限元建模相關(guān)信息創(chuàng)建信息模型，運(yùn)用python語言進(jìn)行二次開發(fā)，完成了som的有限元零部件量化建模，并運(yùn)用c#開發(fā)零部件量化信息管理軟件輔助管理建模信息。研究分析了鉸接間隙導(dǎo)致的操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差及對鉸接副的影響，運(yùn)用archard模型，以鉸接磨損程度為目標(biāo)，鉸接配合公差(間隙值與偏差值)為變量進(jìn)行分析，對操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供助力，大幅減少了som的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和隱患，有利于高壓斷路器som的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2、為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)效果，本技術(shù)所采用的技術(shù)方案以下：

3、電力高壓斷路器som特征量化代理建模方法，在abaqus環(huán)境下建立操動機(jī)構(gòu)的有限元仿真模型，以位移曲線對仿真模型進(jìn)行修改驗(yàn)證，基于特征建模進(jìn)行零部件的零部件量化，將梗概圖圖素分為構(gòu)造圖素與輪廓圖素，根據(jù)幾何關(guān)系建立并求解構(gòu)造圖素的約束關(guān)系，利用所得構(gòu)造圖素計(jì)算輪廓圖素，結(jié)合特征參數(shù)完成零部件零部件量化，建立機(jī)構(gòu)的矢量環(huán)方程與z向規(guī)格鏈，以定位規(guī)格、連桿長度、初始位置為變量，完成裝配體的零部件量化，根據(jù)有限元建模相關(guān)信息創(chuàng)建信息模型，運(yùn)用python語言進(jìn)行二次開發(fā)，并運(yùn)用c#開發(fā)零部件量化信息管理軟件輔助管理建模信息；基于所開發(fā)的程序，研究分析鉸接間隙導(dǎo)致的操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差及對鉸接副的影響，采用遺傳空間采樣策略和期望增強(qiáng)的序列加點(diǎn)策略，基于空間最優(yōu)代理模型，結(jié)合零部件量化建模與程序化后處理技術(shù)，建立som代理建模模型，基于archard模型以鉸接磨損程度為目標(biāo)，鉸接配合公差為變量，對som進(jìn)行分析；

4、a-斷路器som有限元零部件量化建模：1)建立基于特征的零部件零部件量化模型，對特征梗概圖構(gòu)造圖素建立約束關(guān)系并求解，構(gòu)造輪廓圖素的數(shù)學(xué)表示，實(shí)現(xiàn)對零部件幾何實(shí)體模型的零部件量化構(gòu)建；2)建立零部件裝配的平面位置關(guān)系，求解矢量環(huán)方程，以獲得零部件在二維投影面上的位置與初始姿態(tài)，結(jié)合z軸向規(guī)格鏈，完成空間裝配體的零部件量化；3)創(chuàng)建操動機(jī)構(gòu)有限元som信息模型，以抽象類的方式表達(dá)特征信息，建立操動機(jī)構(gòu)的有限元零部件量化模型，實(shí)現(xiàn)有限元som模型重用，并開發(fā)零部件量化信息管理平臺；

5、b-som代理建模及鉸接特性解析：1)以鉸接副間隙為變量，分析鉸接軸套與銷軸形變量及相對位移量，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動位移偏差隨間隙規(guī)格的變化規(guī)律；2)基于空間最優(yōu)代理模型，采用遺傳空間采樣策略和期望增強(qiáng)的加點(diǎn)準(zhǔn)則,在abaqus環(huán)境下建立有限元代理建模程序；3)運(yùn)用所建立的代理建模程序，以鉸接副配合公差為設(shè)計(jì)變量，鉸接副運(yùn)動過程中的磨損情況為目標(biāo)函數(shù)，得到鉸接間隙對磨損影響較大，過大或過小的間隙均會導(dǎo)致較大的磨損。

6、優(yōu)選地，裝配體零部件量化：在建立零件時,初始點(diǎn)均設(shè)置在原點(diǎn),裝配時再調(diào)整零件間的相對位置關(guān)系，在裝配體模塊下利用零件的特征關(guān)系對零件間相對位置及初始運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整；

7、裝配體零件之間通過共軸線，平行，相對距離，相對轉(zhuǎn)角相關(guān)約束行為關(guān)聯(lián)，保證在給定的初始條件下，各零部件調(diào)整到相應(yīng)姿態(tài)，裝配圖中坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，各零部件在建模中所采用的坐標(biāo)系稱為局部坐標(biāo)系，計(jì)算局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的位置，部分局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中的位置相對固定，直接通過相對位置矢量表示，實(shí)際連桿機(jī)構(gòu)包含二級桿組及更高級別桿組，裝配體零部件量化需要對其進(jìn)行求解，操動機(jī)構(gòu)中包含有兩個四連桿機(jī)構(gòu)，對其位置進(jìn)行求解；

8、操動機(jī)構(gòu)傳動部分由連桿l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7和機(jī)架l4，l8構(gòu)成，其中l(wèi)1，l2，l3，l4構(gòu)成四連桿i，將運(yùn)動與力從上連桿傳遞到主軸，l5，l6，l7，l8構(gòu)成四連桿ⅱ，將運(yùn)動由主軸傳遞到大拐臂，四連桿機(jī)構(gòu)建立一個封閉矢量環(huán)，

9、

10、式中，為矢量與x軸的夾角，li為矢量的模；

11、求解時分別向坐標(biāo)軸投影，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式方程，式2為其標(biāo)量形式：

12、

13、a，d為外鉸接點(diǎn)，其坐標(biāo)作為初始條件給定后，式2中僅含設(shè)計(jì)變量和方程可解；

14、對四連桿i計(jì)算求解得到以與主軸夾角θ為初始條件求解四連桿ⅱ,得到傳動機(jī)構(gòu)在給定初始條件下的平面運(yùn)動位置，根據(jù)裝配關(guān)系建立平面法向上的規(guī)格驅(qū)動關(guān)系；

15、操動機(jī)構(gòu)包含有三相，每一相包含一對主軸拐臂、下連桿、大拐臂，對大拐臂與下連桿分別進(jìn)行子裝配，大拐臂子裝配參數(shù)為ddgb1與ddgb2，下連桿子裝配參數(shù)為dxlg與ddgb2，由裝配體結(jié)構(gòu)得到：

16、dxlg＝ddgbl-tdgb-txlg??式3

17、零部件的定位規(guī)格為導(dǎo)出規(guī)格，由連桿坐標(biāo)原點(diǎn)為全局坐標(biāo)原點(diǎn)，建立零部件定位規(guī)格。

18、優(yōu)選地，有限元som模型信息結(jié)構(gòu)：總體結(jié)構(gòu)上其劃分為cad信息與cae信息，cad信息包括零部件信息和裝配體信息，cae信息包括材料信息、分析步信息、交互信息、邊界載荷信息、網(wǎng)格信息、任務(wù)信息；

19、將有限元som模型信息作為集合m，則其構(gòu)成由式4表示：

20、m＝{ipart，iassem，imat，ibcload，imesh，iint，istep，ijob}??式4

21、式中：ipart為零件信息，指零件實(shí)體的幾何拓?fù)湫畔⒁约坝糜谟邢拊５妮o助信息，幾何拓?fù)湫畔慵?shí)體的點(diǎn)、線、面、體信息，輔助信息包括參考點(diǎn)、線、面及特征集合，零件信息是對零件特征的描述，為模型的裝配接觸添加和網(wǎng)格劃分提供選擇數(shù)據(jù)；

22、lassem為裝配信息，指裝配體所包含的相關(guān)幾何信息與輔助信息，裝配信息除包含實(shí)例化所得零件實(shí)例，繼承的相應(yīng)零件信息外，還包括裝配全局坐標(biāo)下定義的參考點(diǎn)、線、面及特征集合；imat為材料信息，指為零件分配的相關(guān)材料特性，具體包括材料密度、彈性模量、泊松比、塑形材料模型及相關(guān)參數(shù)、材料方向信息，材料模型還包含零件的截面特性；ibcload為邊界載荷信息，描述模型所受載荷條件以及所依賴的邊界條件，載荷條件包括力、力矩載荷以及載荷隨時間的變化關(guān)系，邊界條件指模型中零件所受約束條件，邊界載荷信息依賴于裝配信息提供的輔助信息；imesh為網(wǎng)格信息，包含對零件實(shí)例進(jìn)行網(wǎng)格劃分所相關(guān)數(shù)據(jù)；iint為交互信息,通過建立鉸接銷軸與軸套的幾何實(shí)體，將其整體作為鉸接副，用于機(jī)構(gòu)分析求解；istep為分析步信息，指模型分析問題的類型，分析步中采用的時間長短、時間增量、質(zhì)量放大系數(shù)，此外還包含反映分析過程與結(jié)果數(shù)據(jù)的歷史輸出變量，接觸力和場輸出變量,應(yīng)力應(yīng)變及輸出頻率；ijob為任務(wù)信息，指所建立的分析任務(wù)的類別與相關(guān)求解控制參數(shù)，分析類別包括常規(guī)分析、重啟動，相關(guān)求解控制參數(shù)指并行運(yùn)算的求解核心數(shù)，計(jì)算域數(shù)目以及計(jì)算求解的內(nèi)存大?。籹om對象有限元som信息模型：對信息模型劃分為操作與參數(shù)的集合，則信息模型中任一子集表示為：

23、

24、有限元som信息模型描述為：

25、

26、將有限元som信息模型中的子集ii定義為類(class)cls，信息模型中的操作定義為函數(shù)(function)fcn，信息模型中的參數(shù)定義為屬性(attribute)atr。

27、優(yōu)選地，基于有限元som信息模型建模流程：基于有限元som信息模型創(chuàng)建設(shè)計(jì)對象進(jìn)行分析求解，具體步驟如下：

28、第1步：調(diào)用模型層腳本，讀取信息庫中信息，初始化模型設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，包括構(gòu)件規(guī)格、裝配參數(shù)、材料參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、邊界載荷參數(shù)、交互參數(shù)；第2步：實(shí)體化零件類，調(diào)用各構(gòu)件幾何建模函數(shù)，建立構(gòu)件的幾何模型；第3步：實(shí)例化材料類，調(diào)用公有函數(shù)material&assign()函數(shù)，為模型建立截面屬性、添加材料，并為零件賦予材料；第4步：實(shí)例化裝配類，調(diào)用assem()函數(shù)，計(jì)算得到各構(gòu)件的裝配位置，建立輔助參考點(diǎn)，對構(gòu)件進(jìn)行裝配；第5步：調(diào)用rp_bulid()函數(shù),為模型添加輔助參考點(diǎn)，修改參考點(diǎn)屬性；第6步：調(diào)用set&surface_bulid()函數(shù)，根據(jù)模型零部件關(guān)聯(lián)特性以及幾何特征建立輔助面與集合；第7步：實(shí)例化分析步類，調(diào)用step()函數(shù)，為模型建立分析步類，設(shè)置分析類型、分析時長；第8步：實(shí)例化交互類，調(diào)用interaction_bulid()函數(shù)，建立接觸屬性、鉸接屬性，為構(gòu)件建立交互聯(lián)接；第9步：調(diào)用output()函數(shù)，為模型設(shè)置輸出變量、輸出域、輸出頻率；第10步：實(shí)例化載荷邊界類，調(diào)用load()函數(shù)，為仿真模型添加邊界條件和輸入載荷，包括加載輸入載荷曲線，約束自由度；第11步：實(shí)例化任務(wù)類，調(diào)用job()函數(shù)，為模型設(shè)置求解方式、處理器數(shù)目、占用內(nèi)存量；第12步：分析計(jì)算結(jié)果，若不理想利用import()函數(shù)導(dǎo)入有限元som模型，再調(diào)用模型層腳本設(shè)置參數(shù)；第13步：調(diào)用constraindel(),partdel()函數(shù)刪除構(gòu)件和與修改構(gòu)件關(guān)聯(lián)的交互聯(lián)接、特征，調(diào)用構(gòu)件建模函數(shù)建模。

29、優(yōu)選地，鉸接副運(yùn)動姿態(tài)分析：鉸接副中銷軸與軸套在運(yùn)動過程中，其相對位置與受力情況存在幾種不同的關(guān)系，按照其表現(xiàn)出的關(guān)系對鉸接副運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行分類，包含有5種姿態(tài)：姿態(tài)i：鉸接副處于姿態(tài)i時，與中連桿連接軸套，稱為外軸套，在中連桿的力作用下向下運(yùn)動，此時銷軸及與主軸連接軸套，成為內(nèi)軸套，基于間隙的存在尚未接觸碰撞；姿態(tài)ⅱ：外軸套與銷軸接觸碰撞，驅(qū)動銷軸運(yùn)動，銷軸與內(nèi)軸套接觸碰撞，帶動主軸旋轉(zhuǎn)；姿態(tài)ⅲ：銷軸與內(nèi)外軸套均分離，處于自由狀態(tài),機(jī)構(gòu)力的傳遞中斷，下游機(jī)構(gòu)消耗自身能量進(jìn)行運(yùn)動；姿態(tài)ⅳ：機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)及驅(qū)動輸入載荷的特征，內(nèi)軸套驅(qū)動銷軸，銷軸與外軸套接觸碰撞，對上游機(jī)構(gòu)做功；姿態(tài)v：機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，軸套受力變形，造成的銷軸卡澀；

30、機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，鉸接副在i,ii,iii,ⅳ四種姿態(tài)間切換，姿態(tài)v僅出現(xiàn)在間隙較小，鉸接副卡澀的情況下；機(jī)構(gòu)鉸接柔性軸套在運(yùn)動過程中發(fā)生變形，內(nèi)徑截面的圓形變?yōu)闄E圓，當(dāng)鉸接副間隙值過小,軸套變形后橢圓短徑小于銷軸外徑,此時則發(fā)生鉸接副卡澀。

31、優(yōu)選地，遺傳空間采樣策略：在設(shè)計(jì)區(qū)間中采取樣本點(diǎn)，形成樣本點(diǎn)集s，經(jīng)響應(yīng)求解獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)值y,依據(jù)樣本數(shù)據(jù)[s|y],構(gòu)造響應(yīng)面模型，基于每個樣本點(diǎn)的nv維球體，以設(shè)計(jì)空間中不形成交叉的最小球體半徑為衡量標(biāo)準(zhǔn)，最小球體半徑越大，樣本點(diǎn)空間分布特性越好，φp值越小則設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)間的距離越大，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：

32、

33、式中，p為正整數(shù)，ns為樣本點(diǎn)數(shù)目，dij為樣本點(diǎn)所組成的兩點(diǎn)間的距離，由式7表示任意兩點(diǎn)距離：

34、

35、首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以矩陣的形式描述lhs抽樣樣本，大小為m×n的矩陣l中，每一行代表一組樣本點(diǎn)，每一列包含一組1-m的整數(shù)序列：

36、

37、式中，xj為第j組樣本點(diǎn)；對矩陣l的操作，初始化種群生成npop個樣本，npop為偶數(shù)，選擇運(yùn)算按適應(yīng)度值對種群個體進(jìn)行排序，從中挑選前npop/2個最好的樣本；交叉運(yùn)算利用挑選的npop/2個生成樣本數(shù)為npop的新種群,將新種群劃分為s1＝[1,(npop/2+1)]和s2＝[npop/2，npop]兩個區(qū)間，s1區(qū)間以最優(yōu)個體為基礎(chǔ)，與[2,npop/2]中的個體依此隨機(jī)交換某一列，產(chǎn)生新個體，s2區(qū)間依此以[2，npop/2]中的個體為基礎(chǔ)，與最優(yōu)個體隨機(jī)交換某一列產(chǎn)生新個體，s1與s2組合構(gòu)成新種群；變異運(yùn)算作用于新種群中除最優(yōu)個體外的所有個體，對每列生成一個[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于給定變異率值pmut，則隨機(jī)交換該列中的兩個元素。

38、優(yōu)選地，som代理模型：利用已知樣本數(shù)據(jù)[xm×n|ym×p]建立輸入變量x與輸出響應(yīng)y之間的近似數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系，假設(shè)大小為m的設(shè)計(jì)點(diǎn)集s＝[s1，s2，…，sm]t，si∈rn系統(tǒng)輸出一維(q＝1)響應(yīng)值y＝[y1，y2，…，ym]t，yi∈rq，表示為一個回歸模型和隨機(jī)函數(shù)：

39、

40、回歸模型采用k個基函數(shù)構(gòu)成的線性回歸模型：

41、

42、假設(shè)隨機(jī)函數(shù)z的平均值為0，z(w)與z(x)之間的協(xié)方差為：

43、e[z(w)z(x)]＝σ2r(θ，w，x)??式11

44、式中，σ2為隨機(jī)函數(shù)z的方差，r(θ，w，x)為關(guān)聯(lián)模型，θ為關(guān)聯(lián)模型參數(shù)；

45、由此對于設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)集s,其設(shè)計(jì)矩陣f表示為：

46、

47、隨機(jī)函數(shù)的相關(guān)矩陣r為：

48、

49、未知點(diǎn)x與設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)集s,相關(guān)向量r為：

50、r(x)＝[r(θ，s1，x)…r(θ，sm，x)]t???式14

51、x處預(yù)測響應(yīng)值表示為：

52、

53、則預(yù)測誤差為：

54、

55、其中，z＝[z1，…，zm]t為設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)集的誤差，由預(yù)測保持無偏差性，ftc(x)-f(x)＝0，預(yù)測誤差的平均方差為：

56、

57、求關(guān)于c在保持無偏差性下的最小值，其拉格朗日方程為：

58、l(c，λ)＝σ2(1+ctrc-2ctr)-λt(ftc-f)

59、l′(c，λ)＝2σ2(rc-r)-λf????????????????式18

60、由優(yōu)化必要條件及無偏差約束關(guān)系得：

61、

62、求解式19得：

63、

64、矩陣r與r-1為對稱矩陣，則：

65、

66、對回歸模型關(guān)于r的最小二乘解為：

67、β*＝(ftr-1f)ftr-1y???式22

68、聯(lián)立式21與式22得到：

69、

70、式中，rγ*＝y(tǒng)-fβ*；

71、模型預(yù)測誤差為：

72、

73、式中，u與σ2分別為過程量，

74、u＝ftr-1r-f

75、

76、構(gòu)建som代理模型。

77、優(yōu)選地，序列優(yōu)化加點(diǎn)準(zhǔn)則：在初始樣本基礎(chǔ)上通過分析對應(yīng)的響應(yīng)值，添加新的樣本點(diǎn)，增加樣本點(diǎn)提高模型的精度，在優(yōu)化過程中不僅考慮預(yù)測模型中的最小值，同時考慮模型樣本點(diǎn)的稀疏程度，采樣點(diǎn)越稀疏則預(yù)測模型可信度越低；

78、對于一個設(shè)計(jì)點(diǎn)x，在進(jìn)行昂貴計(jì)算前，無法知道其響應(yīng)值y(x)，預(yù)測其均值和均方差σ2，將y(x)的不確定性作為是關(guān)于變量y,均值與均方差分別為和σ2的正態(tài)分布，加點(diǎn)準(zhǔn)則對所有可能得到優(yōu)化值的點(diǎn)進(jìn)行權(quán)衡，其表達(dá)式為式中：

79、

80、與φ(·)分別為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的密度函數(shù)和分布函數(shù)；第一項(xiàng)為當(dāng)前最優(yōu)值與預(yù)測值之差乘以提高的概率，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)差乘以概率密度，當(dāng)前最優(yōu)值與預(yù)測值之差越大，預(yù)測方差越小，則第一項(xiàng)越大，即尋找一個預(yù)測值明顯小于當(dāng)前最優(yōu)值的點(diǎn)；當(dāng)預(yù)測方差越大，則第二項(xiàng)越大，但受概率密度約束不偏離當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn)，即尋找不確定性較大的點(diǎn)，權(quán)衡預(yù)測模型最優(yōu)值及不確定性，選擇下一個樣本點(diǎn)。

81、優(yōu)選地，基于空間最優(yōu)模型的優(yōu)化估算：包括單步優(yōu)化及序列優(yōu)化，單步優(yōu)化經(jīng)過一次采樣，構(gòu)造代理模型，檢查代理模型精度，滿足要求再基于代理模型進(jìn)行優(yōu)化，序列優(yōu)化通過考慮預(yù)測值及預(yù)測方差來增加樣本，不斷更新模型，提高模型精度，并對代理模型求最優(yōu)值，當(dāng)滿足收斂準(zhǔn)則時停止迭代，步驟如下：第一步：采用遺傳空間采樣策略，構(gòu)造維數(shù)大小為m的初始設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)s；第二步：根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)值，求解設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)s對應(yīng)的目標(biāo)響應(yīng)值y；第三步：利用樣本設(shè)計(jì)點(diǎn)s與響應(yīng)值y構(gòu)造空間最優(yōu)代理模型；第四步：采用優(yōu)化算法求解代理模型，獲取當(dāng)前最大期望增強(qiáng)值；第五步：判斷迭代是否滿足收斂準(zhǔn)則，若滿足收斂要求，則停止迭代，利用優(yōu)化算法求解當(dāng)前代理模型最優(yōu)值，作為優(yōu)化計(jì)算結(jié)果；否則執(zhí)行第六步；第六步：利用最大期望增強(qiáng)值加點(diǎn)準(zhǔn)則獲取新樣本點(diǎn)，添加到樣本s中，執(zhí)行第二步。

82、優(yōu)選地，操動機(jī)構(gòu)鉸接副磨損分析：以鉸接副磨損為優(yōu)化目標(biāo)，以鉸接配合公差(鉸接間隙與公差帶偏差值)為設(shè)計(jì)變量，對鉸接副進(jìn)行優(yōu)化；

83、1)設(shè)計(jì)變量：工程中鉸接副間隙為軸套內(nèi)徑與銷軸外徑之差δ，為相對變動值，考慮基準(zhǔn)偏差值εs，以偏差值與間隙值為設(shè)計(jì)變量；

84、2)優(yōu)化目標(biāo)：磨損模型計(jì)算式為：

85、

86、式中，v為磨損深度，s為相對滑移距離，fn為法向接觸力，k為無量綱磨損系數(shù)，h為接觸材料中較軟材料布氏硬度，接觸力通過有限元仿真接觸歷史變量法向接觸力獲得，相對滑移銷軸軸套標(biāo)記點(diǎn)在運(yùn)動過程中的坐標(biāo)位置的相對關(guān)系計(jì)算得到；

87、3)約束條件：對設(shè)計(jì)變量值進(jìn)行區(qū)間約束，區(qū)間約束關(guān)系如下：

88、

89、其中，約束條件單位為μm；采用galhs法進(jìn)行初始采樣，初始樣本點(diǎn)矩陣大小為10×2，迭代次數(shù)20次；間隙值較小與間隙值較大時，磨損程度均相對較高，間隙值在[60,110]左右時，鉸接磨損程度相對較低，尋優(yōu)搜索點(diǎn)大多集中在此區(qū)間中。

90、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)勢在于：

91、(1)本技術(shù)通過電力高壓斷路器som分析其結(jié)構(gòu)組成與運(yùn)動解析，對其進(jìn)行合理簡化，考慮工作環(huán)境中存在的高速沖擊問題，對材料模型、接觸模型進(jìn)行合理選擇，在abaqus環(huán)境下建立操動機(jī)構(gòu)的有限元仿真模型，運(yùn)用所搭建的物理試驗(yàn)臺，以位移曲線對仿真模型進(jìn)行修改驗(yàn)證，得到了具有較好吻合度的仿真模型。再運(yùn)用特征建模思想進(jìn)行零部件的零部件量化，將梗概圖圖素分為構(gòu)造圖素與輪廓圖素，根據(jù)幾何關(guān)系建立并求解構(gòu)造圖素的約束關(guān)系，利用所得構(gòu)造圖素計(jì)算輪廓圖素，結(jié)合特征參數(shù)完成零部件零部件量化。根據(jù)有限元建模相關(guān)信息創(chuàng)建信息模型，運(yùn)用python語言進(jìn)行二次開發(fā)，完成了som的有限元零部件量化建模，并運(yùn)用c#開發(fā)零部件量化信息管理軟件輔助管理建模信息。研究分析了鉸接間隙導(dǎo)致的操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差及對鉸接副的影響，運(yùn)用archard模型，以鉸接磨損程度為目標(biāo)，鉸接配合公差(間隙值與偏差值)為變量進(jìn)行分析，對操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供助力，大幅減少了som的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和隱患，有利于高壓斷路器som的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

92、(2)本技術(shù)通過建立斷路器som的有限元仿真模型，并運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的修正與檢驗(yàn)，以保證模型的可靠性；運(yùn)用基于特征的零部件量化建模方法，建立對象的有限元零部件量化模型，并開發(fā)參數(shù)信息管理輔助軟件；利用代理模型技術(shù)建立其仿真近似模型，研究分析了鉸接間隙對鉸接副及機(jī)構(gòu)帶來的影響，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供反饋，專門用于解決som最重要同時又最復(fù)雜的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)難題，som特征量化代理建模不斷實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，能夠承受高速沖擊載荷，并能保證高可靠性，som通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動靜動觸頭完成分合閘，具備傳動機(jī)構(gòu)良好的運(yùn)動特性，能夠保障機(jī)械系統(tǒng)性能與可靠度，解決了受機(jī)械設(shè)計(jì)與加工制造限制，機(jī)構(gòu)間運(yùn)動副必然無法實(shí)現(xiàn)理想連接，運(yùn)動副間隙的存在導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏離理想設(shè)計(jì)值，同時引起運(yùn)動副本身的摩擦磨損，促使接合面的破壞，造成更大間隙的問題。本技術(shù)試驗(yàn)方法成本大幅降低，不會引入隨機(jī)誤差，仿真技術(shù)計(jì)算能力增強(qiáng)，而有限元仿真建模前后處理占用時間大幅縮短，極大地減少了變參或優(yōu)化分析的成本代價(jià)，提高了分析效率。

93、(3)本技術(shù)構(gòu)建了高壓斷路器som的零部件量化建模方法，基于特征建模的零部件量化，將梗概圖圖素劃分為構(gòu)造圖素與輪廓圖素，采用約束求解方式對模型進(jìn)行計(jì)算求解，以增強(qiáng)適用性；并對機(jī)構(gòu)求解完成目標(biāo)對象的裝配體零部件量化建模，建立對象的有限元零部件量化模型，同時開發(fā)；鄂用于管理相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的信息軟件，分析了鉸接間隙對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的影響，采用遺傳空間采樣策略，以“期望增強(qiáng)”為序列加點(diǎn)準(zhǔn)則，建立空間最優(yōu)代理模型，并結(jié)合abaqus仿真軟件，進(jìn)行了開發(fā)，創(chuàng)建了基于空間最優(yōu)模型的代理建模程序，并將程序應(yīng)用于操動機(jī)構(gòu)鉸接磨損研究分析中，對消除或減弱電力高壓斷路器som是設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和使用危險(xiǎn)隱患具有非常大的作用。