本文紧密围绕我国输变电设备主导产品断路器关键技术问题——断路器灭弧室电场数值求解与结构优化设计展开具体研究工作。综合应用交互式建模技术、计算机可视化技术、数值求解以及数据库技术,构建断路器电场有限元分析及优化设计系统。并结合中高压断路器实际产品结构,进行了断路器灭弧室电场数值仿真、可视化后处理以及基于电场逆问题求解的优化设计研究工作。从根本上突破断路器由“经验设计——大量试验——再设计——再试验”的传统设计模式,为SF₆断路器及真空断路器电场分析与结构优化提供实用的分析平台。 在断路器电场有限元分析及优化设计系统前处理模块中,集几何建模、网格生成、物理建模为一体,实现了基于交互式技术与区域识别相结合的断路器电场数值求解数学建模。采用初始剖分节点数据排序算法,实现基于场值和位值的有限元网格剖分单元的自动加密与调整,以提高电场数值求解效率,为高精度电场数值仿真提供了实现基础。在电场数值仿真模块中,运用有限元法适于多重介质、复杂场域且数值求解精度较高等特点进行灭弧室电场求解研究。在后处理模块中,引入OpenGL作为图形引擎进行仿真结果后处理,提出动态链接库、文本文件以及数据库相结合的方式进行场域求解结果数据管理,提高了数值仿真数据处理效率。在结构优化设计模块中,实现了基于遗传算法的断路器灭弧室电场逆问题求解。 实际应用证明所建立的电场有限元分析及优化设计系统可实现多重介质、复杂结构的断路器灭弧室电场数值仿真及结构优化设计,为断路器电场数值实验提供了可实现的交互式平台。