本發明涉及電力電子器件仿真領域，特別是涉及一種壓接型晶閘管電熱力耦合建模方法及系統。
背景技術：
1、晶閘管作為電力電子系統的核心器件，廣泛應用于高壓直流輸電、工業變流等領域，其工作過程中存在復雜的電熱力耦合效應，直接影響器件的可靠性與使用壽命。接觸特性是影響晶閘管耦合特性的關鍵因素，不同接觸面的粗糙度會導致接觸電阻與熱阻產生顯著差異，進而改變電場分布、熱量傳遞及應力狀態。
2、傳統晶閘管電熱力耦合模型往往忽略接觸特性的影響，或采用經驗值設定接觸電阻與熱阻，導致仿真結果與實際工況偏差較大。同時，接觸電阻與熱阻的計算涉及多因素耦合，傳統數學模型難以精準擬合其與粗糙度的非線性關系，進一步降低了建模精度。因此，亟需一種能夠精準表征接觸特性、完善耦合機制的晶閘管電熱力耦合瞬態建模技術。
技術實現思路
1、為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種壓接型晶閘管電熱力耦合建模方法及系統，通過引入基于粗糙度的接觸參數預測及應力依賴的接觸電阻更新機制，實現了壓接型晶閘管電場、熱場與結構力學場之間的高一致性耦合仿真，提高了瞬態分析結果的準確性。
2、為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
3、一種壓接型晶閘管電熱力耦合建模方法，包括：
4、采用粗糙度測試儀測試鉬片上下面、芯片上下面、陽極凸臺、陰極凸臺的粗糙度參數，建立粗糙度數據庫；
5、將所述粗糙度參數代入預設計算模型，分別計算對應接觸面的接觸電阻值和接觸熱阻值，形成“粗糙度-接觸電阻-接觸熱阻”樣本數據集；
6、以所述粗糙度參數為輸入、以所述接觸電阻值和所述接觸熱阻值為輸出，構建bp神經網絡模型并通過所述樣本數據集對所述bp神經網絡模型進行訓練，優化模型權值和閾值，得到接觸參數預測模型；
7、在solidworks中根據晶閘管的實際結構尺寸構建包含鉬片、芯片及凸臺的三維實體模型，并導入comsolmultiphysics；
8、在所述comsolmultiphysics中設置材料參數和接觸對，將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸電阻值用于電場接觸條件設置、將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸熱阻值用于熱接觸條件設置，并在陽極側與陰極側的鉬銅底板處設置對流換熱系數；
9、設置電場邊界條件為陰極側鉬銅凸臺接地、陽極側銅凸臺施加預設的工作電流大小，設置結構力學邊界條件為陽極側鉬銅表面施加面載荷、陰極側鉬銅表面設置固定約束，并對芯片及鉬片側面施加對應方向的位移約束；
10、建立電場-熱場耦合、熱場-力場耦合及力場-電場耦合，并開展瞬態仿真，輸出電場分布、溫度分布及應力應變分布數據，完成電熱力耦合瞬態特性模擬；所述力場-電場耦合通過應力依賴的接觸電阻更新實現。
11、優選地，采用粗糙度測試儀測試鉬片上下面、芯片上下面、陽極凸臺、陰極凸臺的粗糙度參數，建立粗糙度數據庫，包括：
12、對所述鉬片上下面、所述芯片上下面、所述陽極凸臺、所述陰極凸臺的關鍵接觸面進行全覆蓋測試；
13、記錄所述粗糙度參數并對同一接觸面的多次測試結果取平均值，得到作為所述接觸面特征粗糙度的所述粗糙度參數；
14、將各所述接觸面的所述特征粗糙度寫入所述粗糙度數據庫。
15、優選地，將所述粗糙度參數代入預設計算模型，分別計算對應接觸面的接觸電阻值和接觸熱阻值，包括：
16、采用修正的接觸電阻模型計算所述接觸電阻值；所述修正的接觸電阻模型為；其中，為所述接觸電阻值，為接觸材料電阻率，為接觸點數，為單點點接觸面積，為接觸壓力；
17、采用基于粗糙度的等效模型計算所述接觸熱阻值；所述基于粗糙度的等效模型為：，其中，為所述接觸熱阻值，為接觸材料熱導率，為接觸界面污染層厚度，為污染層熱導率。
18、優選地，形成“粗糙度-接觸電阻-接觸熱阻”樣本數據集，包括：
19、將各所述粗糙度參數與基于所述預設計算模型得到的所述接觸電阻值、所述接觸熱阻值建立一一對應關系；
20、將所述“粗糙度-接觸電阻-接觸熱阻”樣本數據集設置為包含50組樣本的數據集，其中每組樣本至少包含一組所述粗糙度參數以及與所述粗糙度參數對應的所述接觸電阻值和所述接觸熱阻值。
21、優選地，構建bp神經網絡模型并通過所述樣本數據集對所述bp神經網絡模型進行訓練，包括：
22、將所述“粗糙度-接觸電阻-接觸熱阻”樣本數據集劃分為訓練集和測試集；
23、將所述訓練集輸入所述bp神經網絡模型并采用正向傳播計算預測輸出值，以所述預測輸出值與所述樣本數據集中對應的實際輸出值對比得到誤差；
24、采用反向傳播算法根據所述誤差調整所述bp神經網絡模型的權值和閾值，迭代至所述誤差小于預設閾值或達到最大迭代次數；
25、利用所述測試集驗證所述bp神經網絡模型的泛化能力。
26、優選地，優化模型權值和閾值，得到接觸參數預測模型，包括：
27、對所述粗糙度參數以及所述接觸電阻值和所述接觸熱阻值進行歸一化處理，所述歸一化處理滿足，其中為原始數據，為歸一化后數據，與分別為樣本數據的最大值與最小值；
28、采用k折交叉驗證劃分訓練集與測試集，其中k為預設正整數；
29、引入遺傳算法優化所述bp神經網絡模型的權值和閾值，其中將輸入層-隱含層權值、隱含層-輸出層權值、隱含層閾值和輸出層閾值編碼為實數染色體，染色體長度為；其中m為輸入層節點數，h為隱含層節點數，n為輸出層節點數；
30、以神經網絡預測誤差的倒數作為適應度函數并采用輪盤賭法選擇、算術交叉以及高斯變異迭代獲得最優權值和閾值初始解；
31、將所述最優權值和閾值初始解作為所述bp神經網絡模型的初始參數，并采用動量梯度下降法對所述權值和閾值進行迭代更新以得到所述接觸參數預測模型。
32、優選地，在solidworks中根據晶閘管的實際結構尺寸構建包含鉬片、芯片及凸臺的三維實體模型，并導入comsolmultiphysics，包括：
33、依據晶閘管的設計圖紙及實際結構尺寸繪制所述鉬片、所述芯片及所述凸臺的三維實體模型，并按照裝配關系完成整機裝配以確保模型尺寸與實際器件一致；
34、對裝配后的三維實體模型進行干涉檢查以確保無裝配沖突；
35、將所述三維實體模型導出為step格式后導入所述comsolmultiphysics。
36、優選地，在所述comsolmultiphysics中設置材料參數和接觸對，將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸電阻值用于電場接觸條件設置、將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸熱阻值用于熱接觸條件設置，并在陽極側與陰極側的鉬銅底板處設置對流換熱系數，包括：
37、定義各部件材料參數，所述材料參數至少包括電阻率、熱導率、比熱容、彈性模量、泊松比和熱膨脹系數；
38、識別各接觸界面對應的接觸對并將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸電阻值賦值給對應接觸對以完成所述電場接觸條件設置；
39、在熱物理場中將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸熱阻值應用于對應接觸界面以完成所述熱接觸條件設置；
40、在所述陽極側與所述陰極側的鉬銅底板處設置所述對流換熱系數以模擬散熱環境。
41、優選地，所述力場-電場耦合通過應力依賴的接觸電阻更新實現，包括：
42、在瞬態仿真的每一時間步，獲取所述接觸對對應接觸界面的應力數據；
43、基于所述應力數據確定所述接觸界面的接觸點數與點接觸面積的更新值；
44、根據更新后的所述接觸點數與所述點接觸面積對所述接觸電阻進行更新，并將更新后的所述接觸電阻回寫至電場接觸條件，以用于下一時間步的電場求解。
45、一種壓接型晶閘管電熱力耦合建模系統，包括：
46、粗糙度測試單元，用于采用粗糙度測試儀測試鉬片上下面、芯片上下面、陽極凸臺、陰極凸臺的粗糙度參數，建立粗糙度數據庫；
47、接觸阻抗計算單元，用于將所述粗糙度參數代入預設計算模型，分別計算對應接觸面的接觸電阻值和接觸熱阻值，形成“粗糙度-接觸電阻-接觸熱阻”樣本數據集；
48、接觸參數預測單元，用于以所述粗糙度參數為輸入、以所述接觸電阻值和所述接觸熱阻值為輸出，構建bp神經網絡模型并通過所述樣本數據集對所述bp神經網絡模型進行訓練，優化模型權值和閾值，得到接觸參數預測模型；
49、三維建模導入單元，用于在solidworks中根據晶閘管的實際結構尺寸構建包含鉬片、芯片及凸臺的三維實體模型，并導入comsolmultiphysics；
50、接觸參數設定單元，用于在所述comsolmultiphysics中設置材料參數和接觸對，將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸電阻值用于電場接觸條件設置、將所述接觸參數預測模型輸出的所述接觸熱阻值用于熱接觸條件設置，并在陽極側與陰極側的鉬銅底板處設置對流換熱系數；
51、邊界條件施加載荷單元，用于設置電場邊界條件為陰極側鉬銅凸臺接地、陽極側銅凸臺施加預設的工作電流大小，設置結構力學邊界條件為陽極側鉬銅表面施加面載荷、陰極側鉬銅表面設置固定約束，并對芯片及鉬片側面施加對應方向的位移約束；
52、電熱力耦合仿真單元，用于建立電場-熱場耦合、熱場-力場耦合及力場-電場耦合，并開展瞬態仿真，輸出電場分布、溫度分布及應力應變分布數據，完成電熱力耦合瞬態特性模擬；所述力場-電場耦合通過應力依賴的接觸電阻更新實現。
53、本發明公開了以下技術效果：
54、本發明針對現有壓接型晶閘管電熱力耦合分析中普遍采用經驗接觸參數、難以反映實際裝配狀態差異的問題，通過以粗糙度參數為基礎構建接觸電阻值與接觸熱阻值的預測模型，并將預測結果直接用于多物理場仿真邊界條件設置，使接觸參數能夠隨實際接觸表面狀態變化而變化，從而有效提高電場、熱場及結構力學場仿真結果對真實器件工作狀態的反映能力。
55、本發明通過將接觸電阻值和接觸熱阻值引入同一電熱力耦合框架，并在仿真過程中建立電場-熱場、熱場-力場及力場-電場之間的雙向耦合關系，避免了現有技術中各物理場孤立計算或單向傳遞導致的累積誤差，使得電流分布、溫度場演化與結構應力變化之間的相互影響能夠被統一刻畫，從整體上提升了瞬態仿真的一致性和可靠性。
56、本發明在力場-電場耦合中引入應力依賴的接觸電阻更新機制，使接觸界面的電阻參數能夠隨壓接應力變化實時調整，解決了現有模型中接觸電阻在仿真過程中保持不變而無法反映壓接載荷變化影響的問題，從而使電場分布隨結構應力變化的演化過程更加符合實際物理規律。
57、本發明通過在瞬態仿真中同步輸出電場分布、溫度分布及應力應變分布數據，使電熱力耦合效應在時間維度上的動態演化得以完整呈現，相比于僅關注穩態結果的現有方法，更有利于分析壓接型晶閘管在啟動、負載變化等工況下的瞬態響應特性，為器件可靠性評估提供更具工程價值的數據支撐。
58、本發明在不改變晶閘管結構、不增加額外硬件測量手段的前提下，通過建模方法實現對接觸特性和多物理場耦合行為的精細描述，兼顧建模精度與實施可行性，降低了高精度電熱力分析對試驗條件和人工經驗的依賴，具有較好的工程適用性和推廣價值。