基于ANSYS Workbench軟件的專用接觸器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

(廈門宏發(fā)開關(guān)設(shè)備有限公司，福建 廈門 361021)

1 引言

專用接觸器，國(guó)外北美地區(qū)通常稱為Definite Purpose Contactor或Definite Purpose Controller，是一類主要用于HVAC(暖通空調(diào)：Heating，Ventilating，and Air-Conditioning，簡(jiǎn)稱HVAC)行業(yè)中控制壓縮機(jī)、風(fēng)扇和冷卻泵等電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電氣控制設(shè)備。

本文采用美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)現(xiàn)有熱塑性材料軀殼專用接觸器插片進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究分析，并研究采用熱固性材料制作軀殼的專用接觸器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，設(shè)計(jì)核算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)客戶接線插片結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。使產(chǎn)品不但更能符合專用接觸器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)性能上也通過(guò)創(chuàng)新取得突破，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際專用接觸器產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。

2 基于ANSYS Workbench的專用接觸器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型構(gòu)造

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件，主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)的分析，能夠與其它多數(shù)CAD軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和交換，被全球眾多的工程師和設(shè)計(jì)師使用，行業(yè)涉及廣泛。

本文采用最新版本的ANSYS Workbench 16.1(如圖1所示)，并利用NX三維建模軟件，根據(jù)專用接觸器相關(guān)零零部件的尺寸、所使用材料的剛度與強(qiáng)度等要求，聯(lián)合建立專用接觸器的虛擬樣機(jī)，流程如圖2所示。

將NX8.5建立的專用接觸器三維模型轉(zhuǎn)換成Parasolid格式，再導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后在ANSYS Workbench中建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模型。建立過(guò)程與其它建模分析過(guò)程基本相同，主要按如下步驟進(jìn)行：(1)建立有限元模型及添加材料參數(shù)，網(wǎng)格選擇用六面體，劃分合適的單元、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，并根據(jù)分析零件使用材料添加楊氏模量、泊松比；(2)施加載荷，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固定，然后對(duì)擬分析部位進(jìn)行載荷施加；(3)分析、求解仿真分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行記錄評(píng)價(jià)。

圖1 ANSYS Workbench軟件

圖2 專用接觸器的虛擬樣機(jī)建立流程圖

以熱塑性軀殼專用接觸器產(chǎn)品為例，客戶接線插片結(jié)構(gòu)部位建立的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中黃銅插片為受力零件，特別細(xì)化網(wǎng)格尺寸0.3mm，其中單元118040個(gè)，節(jié)點(diǎn)277292個(gè)。

3 熱塑性材料軀殼專用接觸器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析與試驗(yàn)

3.1 仿真分析

對(duì)軀殼兩側(cè)面和插片頂部面(螺釘固定面)施加固定載荷(插片腳尾部?jī)H是與軀殼槽輔助配合，固定力忽略不計(jì))，如圖4所示；對(duì)插片施加往外的等效力值，如圖5所示。

圖3 有限元模型

圖4 施加固定載荷

圖5 等效力值施加位置

查閱材料參數(shù)得知，黃銅的屈服強(qiáng)度為90～450MPa，取其中間值270MPa為參考量，通過(guò)施加不同等效力值進(jìn)行仿真，可知當(dāng)?shù)刃Яχ禐?90N時(shí)，其應(yīng)力為269.41MPa，達(dá)到了材料能承受的最大應(yīng)力值，會(huì)使插片腳折彎變形，如圖6所示。

圖6 施加290N等效力值的仿真結(jié)果

3.2 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用高精度荷重元配備數(shù)字式顯示器組合而成的拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，如圖7所示，主要由測(cè)試臺(tái)、夾具、拉力頭、荷重感應(yīng)器、操作控制箱、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、顯示器等組成。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)品采用夾具緊固在測(cè)試臺(tái)拉力臺(tái)上，在操作控制箱上進(jìn)行指令操作，以控制上夾具的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)拉力測(cè)試，拉力過(guò)程荷重感應(yīng)器會(huì)時(shí)時(shí)采集荷重?cái)?shù)據(jù)，并保存在主機(jī)中，形成全過(guò)程的荷重曲線圖，通過(guò)顯示器上可觀察荷重與移動(dòng)位移的關(guān)系圖曲線，并讀取所需數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖7 拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)

本試驗(yàn)采用3只產(chǎn)品共18個(gè)插片進(jìn)行拉力測(cè)試，每個(gè)插片單獨(dú)模擬客戶拔線拉出，測(cè)試其最大承受能力，試驗(yàn)出現(xiàn)失效的形式均表現(xiàn)為插片尾部固定腳折彎變形脫出軀殼固定槽，折彎變形位置與仿真分析一致，如圖9所示，每個(gè)插片位置承受拉力值記錄如表1所示。

圖8 荷重-時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖9 熱塑性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)

4 熱固性材料軀殼專用接觸器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能分析與試驗(yàn)

考慮熱固性材料BMC(Bulk molding compounds的縮寫)的阻燃性和抗電痕性極好，受異常強(qiáng)熱作用時(shí)零件表面不會(huì)出現(xiàn)熔融塌陷現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于電氣行業(yè)，特別是在北美地區(qū)大量使用(二十世紀(jì)60年代在前西德和英國(guó)首先得以應(yīng)用，70年代在美國(guó)得到很大的發(fā)展)，對(duì)上述研究產(chǎn)品，改進(jìn)軀殼采用BMC材料。同時(shí)，為改進(jìn)插片脫出問(wèn)題，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)，如插片結(jié)構(gòu)利用了金屬材料抗拉強(qiáng)度高的特性，采用了新的專利結(jié)構(gòu)方案，有效的改進(jìn)產(chǎn)品強(qiáng)度，本節(jié)主要就改進(jìn)后的BMC熱固性材料軀殼專用接觸器進(jìn)行仿真分析、試驗(yàn)。

4.1 仿真分析

與上述熱塑性材料軀殼專用接觸器仿真步驟相同，因?yàn)椴迤Y(jié)構(gòu)更改，相應(yīng)插片底部三角形凸塊側(cè)面增加固定載荷，如圖10所示；對(duì)插片施加往外的等效力值，如圖11所示。

由于熱固性材料軀殼專用接觸器的插片結(jié)構(gòu)更多的受力方式是拉伸結(jié)構(gòu)，查閱材料參數(shù)得知，黃銅的拉伸強(qiáng)度為320～700MPa，取其中間值510MPa為參考量，通過(guò)施加不同等效力值進(jìn)行仿真，可知當(dāng)?shù)刃Яχ禐?80N時(shí)，其應(yīng)力為511.9MPa，達(dá)到了材料能承受的最大應(yīng)力值，說(shuō)明插片能承受的最大拉力值為680N，如圖12所示。

表1 熱塑性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖10 施加固定載荷

圖11 等效力值施加方向

4.2 試驗(yàn)

改進(jìn)后產(chǎn)品采用相同方式，測(cè)試3只產(chǎn)品共18個(gè)插片的拉力強(qiáng)度，試驗(yàn)出現(xiàn)失效的形式表現(xiàn)為插片尾部固定腳斷裂，與仿真分析失效點(diǎn)一致，如圖13所示，每個(gè)插片位置承受拉力值記錄如表2所示。

圖12 施加680N等效力值的仿真結(jié)果

圖13 熱固性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)

表2 熱固性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

改進(jìn)前后接觸器進(jìn)行插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度分析、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖14所示。對(duì)比結(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明仿真分析有效。同時(shí)，在插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度方面，改進(jìn)后熱固性材料軀殼專用接觸器(插片承受最大拉力值約為722N)明顯優(yōu)于原有的熱塑性材料軀殼專用接觸器(插片承受最大拉力值約為288.2N)，對(duì)于改善原有熱塑性材料軀殼專用接觸器在客戶端出現(xiàn)的插片折彎變形脫出軀殼問(wèn)題有極大的作用。

圖14 插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型，對(duì)現(xiàn)有熱塑性材料軀殼專用接觸器插片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，并通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。同時(shí)對(duì)通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、軀殼材料更改的熱固性材料軀殼專用接觸器進(jìn)行同樣的分析和對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)創(chuàng)新的插片尾部固定結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)用(已獲國(guó)家專利)，熱固性軀殼產(chǎn)品插片承受最大拉力值得到質(zhì)的飛躍，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了大幅提升。本文的研究方法和改進(jìn)方案，將成為后續(xù)改進(jìn)或新開發(fā)產(chǎn)品的參考依據(jù)，也可作為專用接觸器領(lǐng)域產(chǎn)品的改進(jìn)提供參考。