計(jì)算機(jī)仿真在斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王豫

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

計(jì)算機(jī)仿真在斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王豫

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以對斷路器操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行精確仿真，甚至對其疲勞壽命加以預(yù)測，而在此基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化就可以最大限度地保障操作機(jī)構(gòu)的工作可靠性。文章對計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了一些有意義的探討，希望對斷路器的設(shè)計(jì)工作能夠有所借鑒。

計(jì)算機(jī)仿真；斷路器操作機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 提升斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要性

在斷路器中，操作機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)為觸頭狀態(tài)的轉(zhuǎn)換提供操作運(yùn)動(dòng)，是重要的組成部分之一。通常來說，斷路器的操作機(jī)構(gòu)大多為多連桿形式的彈簧機(jī)構(gòu)，其性能受部件之間的配合性能影響。為保障斷路器能夠發(fā)揮其應(yīng)有的作用，首先要確保的就是操作機(jī)構(gòu)的性能滿足使用要求。一般而言，操作機(jī)構(gòu)會(huì)在較小的空間內(nèi)使用較大儲(chǔ)能的彈簧，而這會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)各個(gè)部件都承受較大的應(yīng)力，再加上各個(gè)部件在配合的過程中也難免會(huì)發(fā)生沖擊，長此以久就可能造成操作機(jī)構(gòu)疲勞失效，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的隱患。

鑒于此，有必要對操作機(jī)構(gòu)的可靠性提高重視，而要提升操作機(jī)構(gòu)的工作可靠性，首先要做的就是從設(shè)計(jì)源頭加以保障。現(xiàn)階段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作也引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以對設(shè)計(jì)方案的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行精確分析，甚至對其疲勞壽命加以預(yù)測，而在此基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化就可以最大限度地保障操作機(jī)構(gòu)的工作可靠性。筆者結(jié)合自己多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了一些有意義的探討，希望對斷路器的設(shè)計(jì)工作能夠有所借鑒。

2 基于動(dòng)力學(xué)仿真的操作機(jī)構(gòu)部件干涉檢查和誤差分析

以往因?yàn)槿狈\(yùn)動(dòng)仿真手段，造成設(shè)計(jì)方案中的尺寸設(shè)計(jì)不合理難以被及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)，而這可能造成操作機(jī)構(gòu)各個(gè)部件之間出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉。同時(shí)，部件在加工過程中會(huì)出現(xiàn)誤差，而這個(gè)誤差經(jīng)過多個(gè)加工階段的累積可能會(huì)變地比較大，進(jìn)而也可能對最終操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能造成影響。而計(jì)算機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的出現(xiàn)使得上述問題的解決迎來了曙光。在形成斷路器操作機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案后，即得到產(chǎn)品的CAD模型后，可以將其導(dǎo)入Adams、RecurDyn、DADS、UM、Simpack、Matlab SimMechanics等動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)軌跡干涉問題的檢查，這顯然可以有效解決干涉問題。

一般來說，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行干涉檢查的過程可以概括為以下幾步：第一步，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用UG、CATIA、ProE、SolidWorks等三維設(shè)計(jì)平臺(tái)對斷路器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型，然后將形成的操作機(jī)構(gòu)CAD模型按照需求進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，一般推薦轉(zhuǎn)換為中立或通用格式的文件；第二步，將經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后的三維模型輸入到Adams、RecurDyn等動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，并對組成模型的各個(gè)部件間的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系進(jìn)行定義，如定義部件之間的固定副、鉸接副、接觸約束、約束運(yùn)動(dòng)等，這些定義具體則表達(dá)了操作機(jī)構(gòu)的裝配關(guān)系；第三步，對組成部件的物理屬性進(jìn)行定義，具體則包括材料密度和碰撞參數(shù)等；最后，添加激勵(lì)，完成運(yùn)動(dòng)過程仿真。

一般來說，只要確保建模準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置合理，整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程就會(huì)非常貼近實(shí)際情況。當(dāng)前的動(dòng)力學(xué)仿真軟件一般都提供動(dòng)畫演示功能，可以將斷路器操作機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程直接以動(dòng)畫視頻的形式展現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員可以直觀地觀察出部件運(yùn)動(dòng)是否會(huì)出現(xiàn)干涉，以及對不允許出現(xiàn)干涉的部件間的最小間隙進(jìn)行判斷。

在判斷出最小間隙的基礎(chǔ)上，可結(jié)合公差等因素將各部件間的最大位置誤差計(jì)算出來，然后將這個(gè)誤差和最小間隙進(jìn)行比對。若不允許發(fā)生干涉的兩個(gè)部件在接觸方向上的最大位置誤差之和大于最小間隙，那么這兩個(gè)部件在實(shí)際制造裝配出來后就可能會(huì)發(fā)生干涉；反之則不會(huì)發(fā)生干涉。

3 基于疲勞分析仿真的操作機(jī)構(gòu)部件疲勞壽命預(yù)測

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員一般憑借著經(jīng)驗(yàn)或者用簡單的公式對斷路器操作機(jī)構(gòu)部件的壽命進(jìn)行估計(jì)，而對估計(jì)結(jié)果正確性的驗(yàn)證往往是通過物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到，這種方式的缺陷是成本較高且周期較長，已經(jīng)無法跟得上產(chǎn)品開發(fā)的需要。同時(shí)，傳統(tǒng)手段也無法對各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)成果之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)果也可能受到偶然因素的影響，進(jìn)而造成傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的精確性不高。正是在這種背景形勢下，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開始引起了越來越多設(shè)計(jì)人員的重視。

在斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段使用疲勞分析仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對操作機(jī)構(gòu)部件壽命的預(yù)測，這種預(yù)測可以在設(shè)計(jì)方案形成三維模型后就直接進(jìn)行，進(jìn)而可以省略制造物理樣機(jī)的過程和耐久試驗(yàn)過程，顯然可以極大地節(jié)約成本和研制時(shí)間。同時(shí)，借助于疲勞分析仿真技術(shù)可以大幅度提升壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性，避免了耐久試驗(yàn)結(jié)果中的潛在偶然性，這對提升斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一般來說，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測的過程可以概括為以下兩步：第一步，對組成操作機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件進(jìn)行應(yīng)力分布計(jì)算，此過程需要借助ANSYS、Patran/Nastran、Abaqus、Hypermesh等有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)，具體則包括網(wǎng)格劃分和載荷添加；第二步，將第一步得到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果代入軟件的fe-safe模塊進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測?；谟?jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到的結(jié)果不僅可以對部件壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，而且還可以定量地得到某些設(shè)計(jì)參數(shù)對壽命的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整。

現(xiàn)階段，一些三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中也集中了運(yùn)動(dòng)仿真模塊和有限元分析模塊，對于斷路器操作機(jī)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)和約束都較為簡單的產(chǎn)品，可以直接在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上就進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上就能夠完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程，從而促使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率獲得進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語

（1）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)階段可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查。通過對操作機(jī)構(gòu)組成部件進(jìn)行三維建模，并定義它們之間的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，就可以對部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，從而方便設(shè)計(jì)人員直觀地對部件間的可能運(yùn)動(dòng)干涉情況進(jìn)行檢查。

（2）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)階段可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案疲勞壽命的預(yù)測。通過對操作機(jī)構(gòu)組成部件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并添加與實(shí)際情況相一致的載荷約束，就可以對部件的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算，然后將得到的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果代入疲勞壽命預(yù)測模塊就能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品疲勞壽命的計(jì)算。

（3）根據(jù)以上兩個(gè)方面的仿真分析結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。通過對操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析和疲勞壽命仿真分析，可以對設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，促使斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案更加合理。

App lication of Computer Simulation in Design of Circuit Breaker Operating M echanism

WANG Yu
（Xinxiang Vocational and Technical College，Xinxiang，Henan 453000，China）

Through the use of computer simulation technology，it is possible to accurately simulate themotion of the circuit breakeroperatingmechanism and even to predictits fatigue life.On thisbasis，the design scheme can beadjusted and optimized to maximize the protection of the operatingmechanism work reliability.This papermakes somemeaningful discussion on the application of computer simulation technology in the design of circuit breaker operating mechanism，hoping to offer reference for breakerdesign.

computersimulation；circuitbreakeroperatingmechanism；design

TM561

A

2095-980X（2017）05-0025-02

2017-05-11

王豫（1983-），女，山西臨猗人，大學(xué)本科，助理講師，主要研究方向：機(jī)床電氣控制，自動(dòng)控制技術(shù)。