(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211286006.0 (22)申请日 2022.10.20 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 街道八一路2 99号 申请人 国网浙江省电力有限公司电力科 学 研究院 (72)发明人 方鲲　韩睿　王文浩　姜雄伟　 杨勇　赵琳　蒋鹏　马益峰　 李斐然　郑一鸣　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 李炜 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01)G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于分子模拟的纤维素绝缘纸微观机械性 能与温度关联机制分析方法及系统 (57)摘要 本发明公开了基于分子模拟的纤维素绝缘 纸微观机械性能与温度关联机制分析方法及系 统。 方法步骤如下： S1， 确定绝缘纸纤维素的材料 成分、 模型搭建与运行的边界条件； S2， 通过仿真 软件， 搭建绝缘纸纤维素分子模型， 并调整模型 计算的参数； S3， 将步骤S2搭建的纤维素分子模 型进行弛豫处理； S4， 基于分子模拟方法， 对已处 于结构优化状态的纤维素晶区、 非晶区模型分别 进行仿真试验； S5， 根据步骤S4的实验数据， 确定 纤维素机械性能与温度的关联机制； S6， 通过物 理实验， 对比验证步骤S5所得关联机制的准确 性。 本发明基于纤维素微观结构特性， 利用分子 模拟相关的技术手段， 可进一步探索纤维素机械 性能同温度的微观关联机制， 从而更好地服务于 工程实际。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115510681 A 2022.12.23 CN 115510681 A 1.基于分子模拟的纤维素绝缘纸微观机械性能与温度关联机制分析方法， 其特征在 于， 包括步骤： S1， 确定绝缘纸纤维素的材料成分， 并统计油浸式电力设备实际运行情况， 从而确定模 型搭建与运行的边界条件； S2， 通过仿真软件， 以步骤S1所确定的材料组分与模型运行所需的边界条件为基础， 搭 建绝缘纸纤维素分子模型， 并调整模型计算的参数； S3， 将步骤S2搭建的纤维素分子模型进行弛豫处理， 以分子排布的不同， 分为晶区与非 晶区两个实验组， 再对两组分子模型进行 结构优化， 使之处于能量 最小化的结构优化状态； S4， 基于分子模拟方法， 对已处于结构优化状态的纤维素晶区、 非晶区模型分别进行仿 真试验： 将温度作为自变量， 以设备工况运行的77℃到 极端高温177℃为区间， 间隔27℃， 对 该温度条件下的仿真实验结果进行记录； S5， 根据步骤S4的实验数据， 确定以弹性模量E、 体积模量K、 剪切模量G以及泊松比v作 为表征纤维素机械性能的理化参数； 并分析上述理化特征量 随温度变化的数值规律， 从而 得到纤维素绝 缘纸微观机械性能与温度的关联机制； S6， 通过物理实验， 对比验证步骤S5所 得关联机制的准确性。 2.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S1中， 绝缘纸纤维素的 材料成分根据油浸式电力 设备的油纸绝缘材料确定； 模型搭建与运行 的边界条件， 在设置 过程中需要考虑油浸式电气设备实际运行 所处的温度、 氧含量与水分。 3.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S2中， 模型计算的参数 包括： 缘纸纤维素的分子链排布构型及链数、 聚合度、 晶格参数。 4.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特征在于： 所述仿真软件为Materials   Studio2719。 5.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特 征在于： 所述 步骤S3包括以下子步骤： S3.1， 对步骤S2搭建的纤维素晶区与非晶区模型进行结构优化， 使初始化模型处于最 稳定状态； 在仿真软件中， 选取Forcite模块对初始化模型进行弛豫处理， 并基于COMPASS力 场执行构型优化 算法； S3.2， 在选定COMPASS力场后， 针对初始化模型进行步长为17ps的分子动力学模拟： 系 综设定为NVT、 温度规定为1777K； 再于Forcite模块中分别选取 “Geometry  Optimization” 与“Energy”两个功能设定进行仿真实验； S3.3， 结束上述设定之后， 在Forcite模块中选定 “Dynamics ”， 并在温度为877K、 677K、 477K的条件 下， 分别设定系综， 并设置相应步长， 进行分子动力学模拟； 经由上述过程后， 若 模型的能量与温度值在5％ ‑17％范围内波动， 则模型已处于能量 最小化的结构优化状态。 6.根据权利要求5分子模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S3.3中， 所述系综为877K与 677K为NVT， 477K为NPT。 7.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特 征在于： 所述 步骤S4包括以下子步骤： S4.1， 以温度为自变量， 在温度为77℃、 97℃、 117℃、 137℃、 157℃与177℃的条件下， 分 别对纤维素晶区、 非晶区模型进行分子动力学模拟： 在仿真软件中选择Castep模块， 基于 COMPASS力场选定 “Dynamics ”， 将步骤S3中已处于结构优化状态的模型置于NVT系综内， 采 用Nose进行温控、 压控 方法设定为Berendsen， 进行177ps的初步分子动力学仿真； 初步计算权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115510681 A 2结束后再将模型置 于NPT系综下进行27 7ps的仿真计算； S4.2， 完成仿真计算后， 记录每组温度条件下纤维素晶区、 非晶区模型机 械性能参数。 8.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特 征在于： 所述 步骤S5包括以下子步骤： 统计分析不同温度 条件下， 纤维素晶区与非晶区模型弹性模量E、 体积模量K、 剪切模量 G以及泊松比v作的变化情况， 从而得到纤维素绝 缘纸微观机械性能与温度的关联机制。 9.根据权利要求1所述的分子模拟方法， 其特征在于： 所述步骤S6包括以下子步骤： 搭 建加速热老化物理实验平台， 并探究纤维素绝缘纸经加速老化后机械性能的变化情况； 将 仿真结果与物理实验的结果进行对比验证， 从而验证步骤S5所 得关联机制的准确性。 10.一种用于权利要求1 ‑9任一项所述的基于纤维素绝缘纸微观机械性能与温度关联 机制分析 方法的分子模拟系统， 其特 征在于， 包括： 材料组分分析模块， 建立与油浸式电气设备用纤维素绝缘纸相一致的分子模型， 并根 据设备实际运行情况， 确定模型相关参数设置的边界条件； 模型搭建与结构优化模块， 通过仿真软件搭建纤维素晶区、 非晶区分子模型， 并通过三 组步长较短的分子动力学模拟预处 理， 使模型处于结构优化状态； 分子模拟计算模块， 对纤维素晶区、 非晶区模型进行分子模拟， 从而探究在热场作用 下， 不同分子排布的纤维素机 械性能参数随温度变化的情况； 关联机制探究模块， 根据分子模拟所得的具体数据， 选取弹性模量E、 体积模量K、 剪切 模量G以及泊松比v作为表征纤维素机械稳定性的理化参数； 探究温度变化与纤维素理化参 数变化的关联机制， 从而确定纤维素绝 缘纸微观机械性能与温度关联机制； 对比验证模块， 通过加速热老化实验验证分子模拟计算的结果有效性， 从而确保纤维 素绝缘纸微观机械性能同温度关联机制的准确性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115510681 A 3