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基于图神经网络的结构力学响应预测模型研究

工程力学 2024年

作者：郑哲江文强王璋奇王青龙孟祥俊伟王宇聪华北电力大学机械工程系河北省电力机械先进制造与智能运维工程研究中心河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室

结构力学响应预测是结构分析的必要环节。为突破传统计算分析模式，追求更高精度、高效率的结构力学响应预测方法，本文提出了基于图神经网络的结构力学响应预测模型（GNN-SMRP），适用于任意工程结构的力学响应预测问题。该模型将结构... 详细信息

结构力学响应预测是结构分析的必要环节。为突破传统计算分析模式，追求更高精度、高效率的结构力学响应预测方法，本文提出了基于图神经网络的结构力学响应预测模型（GNN-SMRP），适用于任意工程结构的力学响应预测问题。该模型将结构分析建模过程与图数据构建相融合，将任意工程结构转化为预测模型所适用的图数据，依靠图神经网络特有的信息传递机制深度挖掘数据间相关性，通过连接不同的后处理网络，从而适用不同的力学响应预测任务。为验证模型有效性，以输电铁塔结构为例开展了数值试验，研究模型对构件轴力和节点位移的预测性能。研究表明，在构件轴力预测和节点位移预测任务中，该模型均有较好的预测性能，精度达到98%以上，且对节点位移的预测性能优于对轴力值的预测。

关键词：工程结构力学响应图神经网络深度学习信息传递机制

机械工程领域专业学位案例库建设——以输电线路工程专业为例

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大学教育 2024年第10期 23-26,37页

作者：花广如张新春刘罡恺李娜王璋奇华北电力大学机械工程系河北保定071003

随着学科综合与多元化趋势的日益显著,“双一流”建设背景下,研究生教学应朝着课程多样化、信息化的方向发展。教学团队针对华北电力大学机械工程领域专业学位案例库建设缺乏统一性、教学素材质量参差不齐、教学案例与技术脱节等问题,... 详细信息

随着学科综合与多元化趋势的日益显著,“双一流”建设背景下,研究生教学应朝着课程多样化、信息化的方向发展。教学团队针对华北电力大学机械工程领域专业学位案例库建设缺乏统一性、教学素材质量参差不齐、教学案例与技术脱节等问题,结合“双一流”建设“大能源电力学科”的优势,组织和编写了以工程问题为导向的输电线路工程案例教学资源库,并开展输电线路工程教学改革。通过构建以工程问题为导向的输电线路工程案例教学体系,形成“知识→案例→实践→知识”的良性循环,促进学生自主学习,并培养其开放性思维,达到培养学生分析问题和解决工程问题能力的教学目标。

关键词：机械工程输电线路工程教学改革工程案例库建设

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坡型风攻角下绝缘子串动态风偏响应特性

高电压技术 2022年第1期48卷 289-297页

作者：胡鑫王璋奇田瑞河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室(华北电力大学) 保定071003

为系统性研究坡型风攻角作用下绝缘子串动态风偏响应特性,提出一种坡型风攻角下绝缘子串动态风偏计算模型与响应特性分析方法。首先,基于导线风偏摆动固有频率不变原则建立导线等效模型,选取两侧导线作用位置施加外部载荷,构建坡型风攻... 详细信息

为系统性研究坡型风攻角作用下绝缘子串动态风偏响应特性,提出一种坡型风攻角下绝缘子串动态风偏计算模型与响应特性分析方法。首先,基于导线风偏摆动固有频率不变原则建立导线等效模型,选取两侧导线作用位置施加外部载荷,构建坡型风攻角下绝缘子串动态风偏计算模型;其次,以动力学方程与功率谱法为切入点,推导得到风偏模型的幅频特性函数与响应均方值,分析绝缘子串风偏均值与摇摆幅值对不同坡型风攻角和不同线路结构的变化特性;最后,通过工程实例与有限元模型进行对比,验证了绝缘子串动态风偏模型与风偏响应特性分析方法的正确性。研究表明:绝缘子串风偏响应均值、摇摆幅值与坡型风攻角呈正比,摇摆固有频率与坡型风攻角呈反比;随风攻角度增加,风偏均值斜率不变,摇摆幅值斜率增加,工程设计中风偏放大系数的选取应考虑风攻角的影响。研究结果可为架空线路防风偏设计提供参考与理论支持。

关键词：绝缘子串坡型风攻角动态风偏模型功率谱法幅频特性函数响应特性

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架空线路绝缘子串动态风偏响应的敏感度特性

振动工程学报 2022年第1期35卷 131-139页

作者：胡鑫王璋奇田瑞华北电力大学河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室河北保定071003

绝缘子串动态风偏响应敏感度可以展现风偏摆动幅值随设计参数的变化规律,有利于设计人员的理解和使用。为探究绝缘子串动态风偏响应敏感度特性,通过导线摆动固有频率不变原则提出能充分表征架空线路风偏运动的导线等效模型,建立了绝缘... 详细信息

绝缘子串动态风偏响应敏感度可以展现风偏摆动幅值随设计参数的变化规律,有利于设计人员的理解和使用。为探究绝缘子串动态风偏响应敏感度特性,通过导线摆动固有频率不变原则提出能充分表征架空线路风偏运动的导线等效模型,建立了绝缘子串和架空导线耦合风偏运动的两自由度动力学模型;以幅频特性曲线与脉动风速谱各自峰值为切入点,运用风偏响应均方值分析了绝缘子串风偏幅值对线路结构和风速的敏感度,提出了动态风偏响应敏感风速的表达式。研究发现:绝缘子串风偏响应均方值与线路垂平比呈正比例关系,平均风速为敏感风速时绝缘子串风偏摆动最为剧烈,架空线路设计时应合理地选择线路结构使绝缘子串风偏敏感风速避开当地的卓越风速,从而降低线路发生风偏闪络的可能性。

关键词：风偏计算模型架空线路幅频特性输出谱敏感度

架空线路风偏计算的多刚体动力学模型及其分析

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振动工程学报 2023年第3期36卷 737-747页

作者：胡鑫王璋奇田瑞华北电力大学河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室河北保定071003

为准确高效地计算架空线路动态风偏位移响应,进而预防风偏闪络事故发生,结合架空线路风偏摆动的运动特征,考虑绝缘子串中各个绝缘子的相对运动,采用多个刚杆与扭转弹簧相互连接模拟架空导线,根据风偏变形的力学关系与能量守恒原则,建立... 详细信息

为准确高效地计算架空线路动态风偏位移响应,进而预防风偏闪络事故发生,结合架空线路风偏摆动的运动特征,考虑绝缘子串中各个绝缘子的相对运动,采用多个刚杆与扭转弹簧相互连接模拟架空导线,根据风偏变形的力学关系与能量守恒原则,建立了连续档架空线路风偏位移响应的多刚体模型与动力学方程;通过量纲分析与相似理论构建物理仿真模型的风洞实验,验证多刚体模型的准确性;通过对工程实例进行数值仿真分析,并比较多刚体模型与通用软件有限元模型的运算时间,验证多刚体模型的高效性。研究结果表明:连续档架空线路的风偏多刚体动力学模型可以有效展现各个绝缘子串与各档导线的动态风偏响应规律,计算精度能够满足工程使用需求,计算效率优于有限元模型。

关键词：架空线路风偏位移响应多刚体动力学模型风洞实验数值仿真

局部瞬时激励下架空导线微风振动波的传播演化

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振动与冲击 2023年第16期42卷 155-160页

作者：陈晓娟李振超王璋奇内蒙古科技大学机械工程学院内蒙古包头014010 华北电力大学机械工程系河北保定071003

微风振动是架空导线疲劳断股、断线的重要原因。为分析局部锁定后导线的微风振动过程,将架空导线简化为张力主导的无限长连续弦模型,考虑局部锁定的随机性和瞬时性,将导线在任意时刻任意位置形成的局部锁定简化为瞬时脉冲激励,采用积分... 详细信息

微风振动是架空导线疲劳断股、断线的重要原因。为分析局部锁定后导线的微风振动过程,将架空导线简化为张力主导的无限长连续弦模型,考虑局部锁定的随机性和瞬时性,将导线在任意时刻任意位置形成的局部锁定简化为瞬时脉冲激励,采用积分变换法获得了系统在时间和空间上的双格林函数解,分析了脉冲波在弦模型中的传播过程和固定约束边界的反射规律。进而采用局部脉冲激励法对导线内行波的传播演化特性进行试验研究,采用高清摄像机对振动波进行捕捉,基于自编程序进行视频图像处理及分析。结果表明:自编程序能够提取标记测点的瞬时位移,脉冲波在传播过程中波速恒定、波面轮廓能够保持较好的形态不变形。局部瞬时激励形成的脉冲波沿导线向两侧档端传播,在经过档端约束后形成反射波沿导线传播,两侧形成的反射波相遇后相互叠加引起导线持续振动。试验现象与理论分析一致。

关键词：振动与波局部瞬时激励传播图像处理架空导线

二节点抛物线模型在采空区线路状态仿真分析中的应用

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华北电力大学学报(自然科学版) 2023年

作者：陈庆昊马海鹏王璋奇电力机械装备先进制造与智能运维河北省工程研究中心(华北电力大学) 宁夏宁电电力设计有限公司河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室(华北电力大学)

采空区线路数字仿真对研究线路特征，分析杆塔倾斜对塌陷区连续档线路状态的影响具有重要意义。考虑到导线的拉伸形变主要来源于导线自重，取架线完成后考虑自重的线长为定值，提出了一个能够反映塌陷区输电线路受力特性的等高二节点抛... 详细信息

采空区线路数字仿真对研究线路特征，分析杆塔倾斜对塌陷区连续档线路状态的影响具有重要意义。考虑到导线的拉伸形变主要来源于导线自重，取架线完成后考虑自重的线长为定值，提出了一个能够反映塌陷区输电线路受力特性的等高二节点抛物线模型，用档距端点水平位移表示导线水平张力和弧垂的变化；然后基于节点力平衡条件将单元刚度矩阵集成得到连续档架空导线整体静力学平衡方程；最后以孤立档为例，通过对比悬链线模型和两种常用ANSYS悬索找形法的计算结果来验证模型精确性，并基于二节点抛物线模型对采空区连续档输电线路进行仿真计算，分析不同因素引起的档距改变对导线弧垂和张力以及对悬垂绝缘子串张力的影响。结果表明：此模型精度较好且能用较少的传感器方便的模拟导线初始形态，导线状态对档距增量很敏感，档距很小的变化就可以引起张力大幅度变化，基于该抛物线模型设计的算法可有效对采空塌陷区线路状态进行仿真分析。

关键词：采空区输电线路二节点抛物线模型导线状态传感器

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利用响应面方法的汽轮机叶片振动可靠性分析

振动．测试与诊断 2012年第1期32卷 84-90,163-164页

作者：段巍王璋奇华北电力大学机械工程系保定071003

考虑随机因素的影响,确定汽轮机叶片固有振动静、动频率的统计特性,建立叶片避开共振时的功能函数。以汽轮机扭叶片为研究对象,在考虑几何因素、安装因素、材料因素和转速随机性的同时,将确定性有限元法、响应面方法和Monte-Carlo模拟... 详细信息

考虑随机因素的影响,确定汽轮机叶片固有振动静、动频率的统计特性,建立叶片避开共振时的功能函数。以汽轮机扭叶片为研究对象,在考虑几何因素、安装因素、材料因素和转速随机性的同时,将确定性有限元法、响应面方法和Monte-Carlo模拟法相结合对叶片进行振动可靠性分析。在对扭叶片复杂叶型进行有限元参数化建模和试验设计基础上,分别采用多项式响应面法和神经网络响应面法构建了扭叶片静、动频率与随机变量之间的近似关系式,并代替有限元模型,同时结合Monte-Carlo模拟技术得到静频、动频的统计特性和累积分布函数。针对叶片危险振型,在合理确定功能函数的基础上对其进行了振动可靠性分析,并以Latin Hypercube样本Monte-Carlo模拟法计算结果作为相对精确解,对两种不同响应面法进行了对比。

关键词：叶片振动可靠性分析有限元法响应面法 Monte-Carlo模拟

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电力变压器绕组轴向振动稳定性分析

中国电机工程学报 2002年第7期22卷 24-28页

作者：王璋奇王孟华北电力大学机械工程系河北保定071003

研究了变压器绕组的机电耦合振动稳定性问题,建立了变压器绕组轴向机电耦合的动力学模型。将变压器绕组的漏磁场简化成二维磁场,得到其解析解,采用机电耦合系统的Lagrange方程,分析得到变压器绕组机电耦合的非线性振动方程,以及简化的... 详细信息

研究了变压器绕组的机电耦合振动稳定性问题,建立了变压器绕组轴向机电耦合的动力学模型。将变压器绕组的漏磁场简化成二维磁场,得到其解析解,采用机电耦合系统的Lagrange方程,分析得到变压器绕组机电耦合的非线性振动方程,以及简化的耦合振动方程。应用动力学理论分析载流的变压器绕组轴向振动的稳定性,得到了模型变压器绕组主要设计参数的稳定域和不稳定域,分析大电流引起变压器绕组失稳的机理。

关键词：电力变压器绕组轴向振动稳定性分析动力学模型