一种航空电弧故障损伤模拟方法与流程

本发明涉及模拟计算，更具体地说，它涉及一种航空电弧故障损伤模拟方法。

背景技术：

1、随着现代航空产业的快速发展，飞机的机载设备愈来愈多，导致飞机电缆线束的用量急剧增加，在飞机运行中，线缆易受气流颠簸造成连接松动或与金属部件接触造成绝缘层物理破损，并且线缆位于高腐蚀区，由于线缆长期受温度、化学侵蚀和潮湿等环境侵蚀或老化，极大降低了线缆绝缘层的绝缘性，这些因素无疑增加触发故障电弧的安全风险。

2、故障电弧是绝缘介质被击穿后的持续等离子放电现象，具有导电性强、能量集中、温度高等特性，极易对飞机重要部件（如周围电缆线束、各类管路、燃油箱壁板、挡风玻璃）造成直接和间接破坏，甚至诱发飞机处于灾难性失效状态。此外由于故障电弧随机性和隐蔽性较强，导致故障电弧实时检测难度较高，因此故障电弧一直是飞机电气互联系统（ewis）安全的重要安全隐患。

3、航空故障电弧的损伤预测研究已逐渐成为飞机安全设计与适航取证的关键重点。然而目前航空故障电弧的研究主要是基于故障电弧本身性质，通过分析不同故障电弧波形特征差异实现故障电弧识别，或是通过仿真软件构建简化模型，模拟与分析故障电弧的实时温度场、电磁场变化。由于故障电弧的随机性和复杂性，在航空器内模拟故障电弧的实验不仅成本高昂，而且可能带来安全风险。

技术实现思路

1、本发明提供一种航空电弧故障损伤模拟方法，解决故障电弧损伤验证实验中存在的实验成本较高、实验场景复现难度较大的技术问题。

2、本发明提供了一种航空电弧故障损伤模拟方法，包括以下步骤：

3、步骤100，通过多物理场仿真软件采集当前时间步和之前每个时间步的物理量分布数据、介质属性数据、电弧数据；

4、步骤200，将采集的当前时间步的数据编码组合为第一图结构数据，采集的当前时间步以及之前每个时间步的数据编码组合为第一序列数据；

5、步骤300，将第一图结构数据和第一序列数据输入到第一神经网络，输出下一个时间步电弧的空间坐标，第一神经网络包括第一模块、第二模块、第三模块和输出模块；

6、步骤400，将所有时间步第一神经网络输出的电弧终点坐标进行连线获得电弧移动轨迹；

7、步骤500，根据电弧经过的飞机的位置的温度超过该位置的材料的熔点的体积来判断飞机的损伤程度。

8、在一个优选的实施方式中，物理量分布数据包括：温度场分布和电场分布；

9、介质属性数据包括：周围各种介质的密度、电导率和介电常数；

10、电弧数据包括：电弧的空间坐标、电压和电流。

11、在一个优选的实施方式中，基于采集的数据生成第一图结构数据，第一图结构数据以当前电弧所在的空间坐标为中心节点，第一图结构数据包括节点和边，一个节点包含一组第一数据作为节点特征，第一数据包括：该位置的空间坐标、温度、电场矢量以及介质的密度、电导率和介电常数；两个相邻节点之间存在边，边表示两个节点所在空间坐标之间的距离，第一图结构数据包括采集的电弧的空间坐标所在的节点和其相邻节点以及这些节点之间存在的边。

12、在一个优选的实施方式中，采集当前时间步以及之前每个时间步获得的电弧所在空间坐标的介质属性数据，将采集的数据编码为第一序列数据，第一序列数据包括n个序列单元，第t个序列单元表示第t个时间步获得的电弧所在空间坐标的介质属性数据。

13、在一个优选的实施方式中，第一模块的计算公式如下：

14、

15、其中表示第i个节点的第一隐藏状态，表示状态权重参数，和分别表示第i个和第j个节点的节点特征，表示与第i个节点直接连接的节点的集合，表示中的节点总数，，tanh表示双曲正切函数，表示可调参数；的缺省值为1/n，n为节点特征的维度，表示s型函数。

16、在一个优选的实施方式中，第二模块的计算公式如下：

17、；

18、；

19、；

20、；

21、其中，、、表示第一、二、三权重参数，、、表示第一、二、三偏置参数，表示点积，其中表示第一序列数据的第t个序列单元，和分别表示第t个和第t-1个第二隐藏状态，n≥t≥1，n表示第一序列数据的序列单元的总数，t=1时，tanh是双曲正切函数，表示s型函数。

22、在一个优选的实施方式中，第三模块的计算公式如下：

23、；

24、其中为第二模块输出的第n个第二隐藏状态，为第一模块输出的第i个节点的第一隐藏状态，表示第三隐藏状态，n是第一图结构数据中所有节点的集合。

25、在一个优选的实施方式中，输出模块的计算公式如下：

26、；

27、其中y表示输出的第一向量，第一向量的第c个分量表示下一个时间步的电弧终点坐标属于第c个空间坐标的概率，m表示第三隐藏状态，是第四权重参数，是第四偏置参数，表示s型函数。

28、在一个优选的实施方式中，计算电弧经过的飞机的位置的温度超过该位置的材料的熔点的体积的步骤包括：

29、步骤101，确定电弧波形、电弧移动轨迹和电弧持续时间；

30、步骤102，确认航空故障电弧发生处的尺寸参数，包括：起弧线束长度、线束直径、绝缘层厚度、燃油管路的管路厚度、管路半径、管路长度、电弧与铝合金管路的间隔距离；

31、步骤103，根据步骤101中的电弧波形进行积分，计算出故障电弧能量；

32、步骤104，根据步骤102中确认的航空故障电弧发生处的尺寸参数，使用多物理场仿真软件构建模型，设置边界条件，其中热源数值根据步骤103计算出的电弧能量结果设置；

33、步骤105，使用自定义网格划分对模型进行网格划分，通过电弧移动轨迹判断故障电弧发生区域并设置为细化处理，其余区域设置为常规；

34、步骤106，设置求解器为瞬态计算，并以步骤101中的电弧持续时间为模型计算时长，并根据计算时长设置步长，开始计算；

35、步骤107，判断计算结果是否收敛，若迭代计算误差值小于设定值则判定为收敛，计算完成，结合电弧移动轨迹得到电弧经过的飞机的位置的温度超过该位置的材料的熔点的体积，若模型计算不收敛，模型自动报错，则返回步骤104和步骤105，重新设置边界条件和网格大小直至收敛。

36、本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的一种航空电弧故障损伤模拟方法。

37、本发明的有益效果在于：

38、本发明可以考虑温度场、电场、电弧路径、介质材料等多方面的因素并通过多物理场仿真软件构建仿真模型，通过仿真结果获取铝合金管路的损伤体积，解决了故障电弧损伤验证实验法存在的成本较高、实验场景复现难度较大的技术问题。

技术特征：

1.一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，其中物理量分布数据包括：温度场分布和电场分布；

3.根据权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，基于采集的数据生成第一图结构数据，第一图结构数据以当前电弧所在的空间坐标为中心节点，第一图结构数据包括节点和边，一个节点包含一组第一数据作为节点特征，第一数据包括：该位置的空间坐标、温度、电场矢量以及介质的密度、电导率和介电常数；两个相邻节点之间存在边，边表示两个节点所在空间坐标之间的距离，第一图结构数据包括采集的电弧的空间坐标所在的节点和其相邻节点以及这些节点之间存在的边。

4.根据权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，采集当前时间步以及之前每个时间步获得的电弧所在空间坐标的介质属性数据，将采集的数据编码为第一序列数据，第一序列数据包括n个序列单元，第t个序列单元表示第t个时间步获得的电弧所在空间坐标的介质属性数据。

5.根据权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，第一模块的计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，第二模块的计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，第三模块的计算公式如下：

8.根据权利要求7所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，输出模块的计算公式如下：

9.根据权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法，其特征在于，计算电弧经过的飞机的位置的温度超过该位置的材料的熔点的体积的步骤包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1所述的一种航空电弧故障损伤模拟方法。

技术总结
本发明涉及模拟计算技术领域，公开了一种航空电弧故障损伤模拟方法，包括以下步骤：通过多物理场仿真软件采集当前时间步和之前每个时间步的物理量分布数据、介质属性数据、电弧数据；将采集的数据编码组合为第一图结构数据和第一序列数据；将第一图结构数据和第一序列数据输入到第一神经网络，输出下一个时间步电弧的空间坐标；将所有时间步第一神经网络输出的电弧终点坐标进行连线获得电弧移动轨迹；根据电弧经过的飞机的位置的温度超过该位置的材料的熔点的体积来判断飞机的损伤程度。本发明提供一种航空电弧故障损伤模拟方法，解决故障电弧损伤验证实验中存在的实验成本较高、实验场景复现难度较大的技术问题。

技术研发人员：司晓亮,张波,廖茂桥,谭红丽
受保护的技术使用者：合肥航太电物理技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5