塑料外殼式斷路器的跌落力學(xué)特性模擬研究

瞿俊豪 李 俐 張應(yīng)林 許一偉 黃海波

塑料外殼式斷路器的跌落力學(xué)特性模擬研究

瞿俊豪1李 俐2張應(yīng)林2許一偉1黃海波1

（1. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2. 浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325603）

塑料外殼式斷路器需要具備良好的力學(xué)特性以保證其運(yùn)輸和使用安全。本文建立塑料外殼式斷路器和地面的有限元模型，以極限工況水平垂直下落為例，分析塑料外殼式斷路器在跌落過程中的應(yīng)力變化和變形情況。結(jié)果表明，塑料外殼式斷路器各部件的應(yīng)力和變形呈不均勻分布，內(nèi)部構(gòu)件由于應(yīng)力波的影響會產(chǎn)生最大的應(yīng)力，裝飾板由于受到其他部件的影響變形最劇烈。最大應(yīng)力和最大變形量均出現(xiàn)在塑料外殼式斷路器離開地面的反彈過程中。本研究可為避免跌落破壞的塑料外殼式斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

塑料外殼式斷路器；跌落；力學(xué)特性；有限元建模

0 引言

塑料外殼式斷路器（以下簡稱斷路器）是指能夠關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流，并能在規(guī)定的時間內(nèi)關(guān)合、承載和開斷異?；芈窏l件下的電流的開關(guān)裝置[1-4]。斷路器作為整個供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其可靠性是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保 證[5]。由于企業(yè)用電負(fù)荷很大，通常都會使用斷路器來保護(hù)用電安全。雖然在運(yùn)輸過程中有紙板和聚苯乙烯（EPS）等發(fā)泡塑料包裝的保護(hù)[6]，但在安裝和使用過程中，斷路器本體難免會發(fā)生撞擊，甚至?xí)鋄7]，這就需要斷路器具有足夠的強(qiáng)度和力學(xué)特性，這也成為斷路器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中必須考慮的重要方面。

相關(guān)調(diào)查表明，大部分?jǐn)嗦菲鳟a(chǎn)品的損壞與跌落碰撞有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段必須通過一定高度的跌落測試。目前的跌落測試存在許多限制和不足，必須有相當(dāng)成熟的物理樣件才可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時設(shè)計(jì)更改的難度和成本很高，而且難以了解沖擊時物體的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力變化。同時，跌落實(shí)驗(yàn)的觀測和數(shù)據(jù)采集也十分不易，即便使用高速攝影也僅能從外部觀察，難以獲取數(shù)據(jù)（應(yīng)力、應(yīng)變、加速度）進(jìn)行定量分析。由于跌落沖擊仿真已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、玻璃杯、包裝盒等產(chǎn)品的檢測，跌落和沖擊碰撞等計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)被證明是一種高效率的模擬和設(shè)計(jì)手段，因此可以充分利用模擬仿真來完成斷路器在跌落過程中的力學(xué)特性分析。

本文通過Ansys Workbench有限元的方法模擬斷路器的跌落過程，從而全面分析斷路器各個部件的力學(xué)特性。

1 有限元建模

1.1 有限元模型的建立

分析對象為某型125A斷路器，尺寸為135mm× 77mm×63mm。其中上蓋高度為23mm，下底座高度為40mm。運(yùn)用三維建模軟件創(chuàng)建三維模型，為保證計(jì)算的效率，將斷路器進(jìn)行適當(dāng)簡化，去掉不必要的細(xì)節(jié)，如在保證質(zhì)量和慣量等特性不變的前提下將中間的開關(guān)簡化為長方體等。斷路器實(shí)物與模型對比如圖1所示。

圖1 斷路器實(shí)物與模型對比

1.2 有限元網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的好壞直接影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[8-10]。有限元模型包含斷路器和地面兩部分。由于地面較為規(guī)則，因此采用六面體網(wǎng)格。斷路器則采用四面體網(wǎng)格，可以獲得較高的計(jì)算精度。斷路器有限元模型如圖2所示，模型共有節(jié)點(diǎn)50 058個、單元183 655個，其中斷路器節(jié)點(diǎn)48 862個、單元183 105個。

圖2 斷路器有限元模型

1.3 材料特性

斷路器分別選用三種材料：外殼裝飾板和上蓋選用ABS plastic；底座選用phenolic resin（PF）；內(nèi)部金屬件選用結(jié)構(gòu)鋼（structural steel）。模型材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

1.4 邊界條件和載荷

由于斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)均為固接，因此每兩個部件之間的接觸均設(shè)置為“牢固結(jié)合”（bonded）。為能仿真斷路器自由落體狀態(tài)，斷路器與撞擊平面不設(shè)置接觸。為了能更好地觀察斷路器的變形，將斷路器的所有組成部分均設(shè)置為柔性體。為了獲得在極端工況下的力學(xué)行為和有充裕的安全系數(shù)，將斷路器的下落高度設(shè)置為3m，底面垂直落下，模擬1ms。初始位置為0.1mm，斷路器按照3m自由落體，速度為7.67m/s。模型邊界條件如圖3所示。

圖3 模型邊界條件

2 結(jié)果模擬與分析

2.1 總體分析

跌落和彈起的整個過程中，斷路器外殼的應(yīng)力和變形云圖如圖4所示。從圖4可以看出，外殼的應(yīng)力和變形不均勻，說明在撞擊后由于各種因素的影響斷路器發(fā)生了形位的偏轉(zhuǎn)。最大變形區(qū)域主要集中在斷路器左側(cè)和裝飾板上，其中裝飾板中間的變形最大達(dá)到3.926 1mm。這主要是因?yàn)椋阂环矫鏀嗦菲髯髠?cè)的質(zhì)量較大；另一方面由于受到其他部件的擠壓等綜合因素的影響，因此裝飾板的中間也存在較大變形。斷路器的最大應(yīng)力并沒有出現(xiàn)在外面部件上，外殼和裝飾板的應(yīng)力分別為6.8×107Pa和8.7×107Pa。

圖4 斷路器外殼的應(yīng)力和變形云圖

2.2 外殼裝飾板

斷路器外殼裝飾板的應(yīng)力和變形云圖如圖5所示。從圖5可以看出，外殼裝飾板上端中部和右下角變形較為嚴(yán)重，達(dá)到3.926 1mm。中間和左右兩側(cè)卡扣處應(yīng)力較大，呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。最大應(yīng)力出現(xiàn)在外殼裝飾板中間內(nèi)側(cè)肋板連接部位，最大值達(dá)到8.7×107Pa。由以上仿真分析可知，外殼裝飾板雖然在斷路器上端，但跌落對這個部件的影響仍然較大，這主要是由應(yīng)力波傳導(dǎo)引起的。

圖5 斷路器外殼裝飾板的應(yīng)力和變形云圖

2.3 內(nèi)部構(gòu)件

斷路器內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)力和變形云圖如圖6所示。從圖6可以看出，斷路器底座在與地面撞擊時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)左、中、右側(cè)三塊區(qū)域部件的右下角變形較為嚴(yán)重，而右側(cè)部件的右下角變形量達(dá)到最大值3.867mm。由圖6可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部左側(cè)部件彎曲階梯處，最大值達(dá)到2.1×109Pa，這也是所有部件中的應(yīng)力最大值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

圖7為在跌落模擬時間內(nèi)斷路器部件應(yīng)力和變形的最大值。如圖7（a）所示，跌落過程中內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)力會出現(xiàn)最大值。如前所述，最大應(yīng)力值沒有出現(xiàn)在外殼而是出現(xiàn)在內(nèi)部主要是由于應(yīng)力波傳導(dǎo)的原因。從圖7（b）可以看出，四個部件的最大值相差不大，均在3.9mm左右，裝飾板雖然距離跌落接觸面最遠(yuǎn)，但是具有最大的變形量4.033mm。從圖7（c）可以看出，斷路器的最大應(yīng)力并沒有出現(xiàn)在斷路器剛接觸到地面時，而是出現(xiàn)在反彈階段。從圖7（d）可以看出，斷路器的最大變形量也出現(xiàn)在反彈階段，但比最大應(yīng)力出現(xiàn)的時間還要滯后一些。出現(xiàn)這些現(xiàn)象都是由于跌落接觸時，地面對斷路器的沖擊形成應(yīng)力波而造成的。

圖6 斷路器內(nèi)部構(gòu)件的應(yīng)力和變形云圖

3 結(jié)論

本文通過建立斷路器和地面的有限元模型，分析了斷路器跌落-反彈過程中的力學(xué)特性。主要得到了以下結(jié)論：

1）由于在撞擊時各種因素的影響，斷路器發(fā)生了形位的偏轉(zhuǎn)，因此外殼的應(yīng)力和變形分布并不均勻和對稱。

2）最大變形區(qū)域出現(xiàn)在裝飾板上，最大應(yīng)力出

現(xiàn)在內(nèi)部左側(cè)部件彎曲階梯處。最大變形和最大應(yīng)力均沒有出現(xiàn)在斷路器剛接觸到地面時，而是出現(xiàn)在斷路器反彈脫離地面的階段。這是由于在跌落接觸時，地面對斷路器的沖擊形成應(yīng)力波傳導(dǎo)滯后而造成的。

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Mechanical behaviors of moulded-case circuit-breakers in falling process

QU Junhao1LI Li2ZHANG Yinglin2XU Yiwei1HUANG Haibo1

(1. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo, Zhejiang 315211; 2. Zhejiang CHINT Electrics Co., Ltd, Wenzhou, Zhejiang 325603)

Moulded-case circuit-breakers needs greater structure strength to ensure its safety in the use and shipment. The finite element model for moulded-case circuit-breakers and ground is built in thisPaper. The stress and deformation of the moulded-case circuit-breakers are both investigated in the extreme condition when the moulded-case circuit-breakers atr vertically positioned to fall down. The results show that the stress and deformation is distributed asymmetrically. The maximum stress and deformation appear at the internalParts and the decorative plate due to impact stress wave, respectively, which also arise in the rebound process. The research provides scientific guidelines for designing the moulded-case circuit-breakers to avoid the falling.

moulded-case circuit-breakers; fall; mechanical features; finite element modeling

2021-10-14

2021-11-16

瞿俊豪（1999—），男，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)模擬。