面向应力集中的有载分接开关刚度匹配设计

《Results in Engineering》：Stress Concentration-Oriented Stiffness Matching Design in On-load Tap-changers

　　

可靠的机械结构对有载分接开关（OLTC）的切换操作至关重要，然而其机械部件中的应力集中问题尚未得到充分研究。本研究提出了一种以材料刚度匹配为核心的新型设计方法，以消除此类应力集中。选取OLTC中典型的应力集中结构——柔性连接结构作为说明对象。研究人员探讨了刚度变化对应力分布的影响，并开发并验证了一种自适应刚度匹配设计框架。研究涉及瞬态电-热-力耦合效应。所提出的刚度匹配设计显著缓解了应力集中，使峰值应力降低超过70%。本研究从材料角度为深入理解OLTC中的应力集中问题做出了贡献。

本研究聚焦于有载分接开关（On-load Tap-changer, OLTC）机械部件中的应力集中问题，提出了一种基于材料刚度匹配的新型设计方法。以下从研究背景、技术方法、研究结果及讨论总结四个方面进行解读。

研究背景与问题提出：在全球能源配置背景下，特高压直流（Ultra-High Voltage Direct Current, UHVDC）输电技术已成为实现大规模远距离电力传输的关键技术。换流变压器是换流站中最核心且昂贵的设备之一，而OLTC作为变压器中唯一的频繁运动部件，其运行稳定性与长期可靠性直接决定电网的整体安全与效率。OLTC的机械操作由其开关核心执行，包括快速机构、主触头机构、真空管机构和隔离触头机构等复杂机构。尽管设计坚固，这些机构仍易产生应力集中，导致部件断裂和性能退化。以真空管机构和隔离触头机构中的动触头为例，其通过柔性 sheet（Flexible Sheets, FSs）和螺栓与静止支撑连接，在循环运动中承受显著的压缩和拉伸变形，使FSs极易发生应力集中，存在断裂风险，进而引发触头过热或电路中断，严重影响OLTC的切换顺序和操作安全。然而，现有文献中针对OLTC的研究大多集中于故障诊断和状态监测，如基于振动、声学和同源异构数据融合的诊断模型，以及卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）、Kolmogorov-Arnold网络（KAN）和数字孪生等新兴技术的应用。针对OLTC机械性能提升或结构优化的研究则相对匮乏，仅有少数研究涉及压力释放装置、油浸触头侵蚀特性、部件应力分布、机构时变可靠性分析以及换流变压器油箱耐电弧增强等方面。虽然已有大量关于缓解机械结构应力集中的研究，如形状优化、拓扑优化、正交各向异性材料设计、压电致动器布置和可控厚度纳米复合界面构建等技术，但这些技术很少针对OLTC部件的独特约束和工况进行定制。鉴于此，OLTC机械部件中的应力集中问题仍未得到充分探索，相关研究尚处于起步阶段。

研究人员开展的研究与结论：本研究旨在引入一种以材料匹配为核心的新型设计理念来缓解OLTC中的应力集中。材料匹配指在装配体中有意选择和配对不同部件的材料属性，如刚度或硬度。从力学角度看，精确控制材料属性分布可有效调控部件在服役载荷下的变形行为。通过策略性地匹配相互作用部件的刚度，理论上可调制内部应力分布、缓解有害应力集中并促进更均匀的应力状态。本研究聚焦材料刚度，以弹性模量（Elastic Modulus）为主要设计变量，首次从材料属性匹配角度研究OLTC部件的应力集中问题，量化了刚度变化对典型OLTC结构内应力分布的影响，并考虑了电-热-力耦合效应以评估其影响和设计效果。研究开发了自适应刚度匹配设计框架，以柔性连接结构（Flexible Connection Structure, FCS）为案例进行了验证，并与形状优化进行了对比分析。研究结果表明，所提出的刚度匹配设计在缓解应力集中方面效果显著，仅考虑机械载荷时峰值应力降低72.53%，考虑电-热-力耦合时峰值应力降低43.13%，为提升OLTC机构耐久性提供了有价值的理论途径。

主要技术方法：本研究的技术路线包含以下核心方法。首先，采用有限元法（Finite Element Method, FEM）获取应力分布，以峰值应力（σ_peak）表征应力集中程度，以弹性模量表征刚度，建立优化模型。其次，采用将试验设计（Design of Experiment, DOE）和代理模型融入数学规划算法的优化方法，具体为结合拉丁超立方采样（Latin Hypercube Sampling, LHS）、克里金（Kriging）模型和非线性二次拉格朗日规划（Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian, NLPQL）算法的自适应方法。该方法分为初始建模和自适应迭代两个阶段：LHS用于生成初始刚度样本，建立Kriging代理模型描述弹性模量与峰值应力的关系；NLPQL算法在模型上搜索候选点，通过预测误差评估可靠性，高误差区域补充样本更新模型，低误差区域则缩小弹性模量边界以加速局部收敛。此外，研究采用Spearman秩相关系数定量评估弹性模量组合对应力集中的影响。在电-热-力耦合分析中，采用顺序耦合策略：先进行瞬态电-热耦合分析获取温度场，再将其导入瞬态结构分析。有限元建模与仿真采用ANSYS软件完成，接触设置方面经21种工况对比后采用无分离（no-separation）接触条件以确保收敛。

研究结果：

柔性连接结构的应力集中特征：作为OLTC中典型的应力集中案例，柔性连接结构由动端、固定端和柔性 sheets 组成。动端沿指定方向做直线往复运动，FSs两端分别与动端和固定端螺栓连接，在往复运动中交替承受拉伸和压缩，导致显著的应力集中。研究首先针对双层配置分析了层间接触条件的影响，比较了无分离条件以及摩擦系数0.1至2.0（间隔0.1）的库仑摩擦共21种情况，发现在摩擦系数为0.6、0.7、0.8、0.9和1.9时出现非收敛，而收敛工况中除摩擦系数0.3和1.0出现明显高峰外，其余峰值应力相对稳定。据此，后续分析采用无分离接触条件以确保可靠收敛。对于六层FSs的FCS，初始最大应力在往复运动阶段随运动曲线变化，峰值应力达370.9 MPa，应力分布显示FSs为主要应力贡献者，且存在明显的应力集中。

材料刚度对应力集中的影响：通过200组LHS生成的弹性模量组合，采用Spearman秩相关系数分析发现，六层弹性模量（E₁至E₆）相互间无相关性，但与峰值应力的相关性方面，内侧三层（E₁至E₃）强于外侧三层（E₄至E₆），表明柔性 sheet 内侧刚度与应力集中更相关；E₁至E₃与峰值应力呈正相关，降低其值有利于减小峰值应力，其中E₃相关性最高（相关系数超0.8）。

柔性连接结构的刚度匹配设计：对E₁至E₆进行匹配设计，峰值应力演化历史显示初期波动显著，约60个设计点后逐渐稳定。后期峰值应力稳定降至约110 MPa，显著低于初始值370.9 MPa。具体而言，设计后峰值应力降至101.9 MPa，降幅达72.53%。弹性模量分布从初始的110 GPa降至24 GPa至51 GPa范围。与文献报道的形状优化（峰值应力从370.9 MPa降至261.7 MPa，降幅29.4%）相比，刚度匹配设计效果显著更优。

电-热-力耦合下的刚度匹配设计：考虑OLTC切换过程中高电流通过FSs产生的热效应，设置了边界条件：固定端一端面为零电压，动端一端面施加3 kA矩形电流脉冲（持续时间20 ms，间隔50 ms）。环境温度22°C，自然对流换热系数5 W/(m2·°C)。分析发现，电-热边界显著影响应力集中程度，峰值应力从370.9 MPa增至1018.2 MPa，且应力集中位置和模式发生改变。在此基础上进行刚度匹配设计，耦合峰值应力从1018.2 MPa降至579.1 MPa，降幅43.13%。优化后弹性模量分布显示，多数层弹性模量降低，但E₄增至156.38 GPa。

讨论与结论：研究讨论了若干关键问题。关于层间接触建模，无分离条件作为极端紧密接触的特殊情况，能够反映某些摩擦条件下的结果，且即使实际运行中出现层间分离，层间刚度差异理论上仍可实现应力调控。关于材料可实现性，优化得到的连续弹性模量值可通过两种策略实现：一是从现有金属、合金或复合材料中选择最接近的模量进行近似匹配，通过混合法则或微调层厚补偿；二是采用梯度/复合设计，如粉末冶金、增材制造或纤维增强复合铺层以获得近连续可调的有效模量。关于工艺可行性，需同时约束热膨胀系数和电阻率范围，控制模量公差（如±5 GPa内）并评估成本。

研究结论部分指出：

（1）提出了一种基于可变刚度的新型材料匹配设计方法，以消除OLTC部件中的应力集中。其中应力集中由峰值应力表征，刚度由弹性模量表示。建立了刚度匹配设计的自适应优化框架，并提供了相应的设计流程。

（2）建立了包含多层柔性 sheets 的柔性连接结构有限元模型，揭示了有无电-热边界条件下的不同应力集中模式。发现电-热-力耦合加剧了应力集中程度并改变了其位置。

（3）刚度匹配设计在降低应力集中方面效果显著。对于仅含机械载荷的情况，优化后柔性 sheets 的峰值应力从370.9 MPa降至101.9 MPa，降幅达72.53%。考虑电-热-力耦合时，优化后峰值应力从1018.2 MPa降至579.1 MPa，降幅达43.13%。此外，观察到柔性 sheets 整体刚度的降低有助于峰值应力的减小。

展望部分提出以下待进一步研究的方向：（1）材料属性的耦合，特别是热不匹配问题，当前仅以刚度为设计变量，未来应将多种属性耦合纳入优化框架；（2）刚度定制材料的制备，需探索激光粉末床熔融梯度粉末混合或多材料挤出等混合制造路线；（3）系统级仿真与实验验证，将刚度匹配设计从局部柔性 sheets 扩展至完整OLTC系统模型，并通过样机制造和台架测试验证预测的应力降低和长期耐久性改善。