基于有限元仿真軟件的多剛體及剛-柔耦合分析在萬能式斷路器中的應(yīng)用

邢 壘 壘

(上海正泰智能科技有限公司, 上海 201600)

0 引 言

隨著近年風(fēng)能、太陽能、儲(chǔ)能等迅猛發(fā)展及電網(wǎng)配電升級(jí)改造,對(duì)低壓斷路器的機(jī)械壽命、電氣壽命及短耐指標(biāo)的要求等有大幅提高。針對(duì)在提高產(chǎn)品短耐指標(biāo)及產(chǎn)品壽命時(shí)遇到的問題,進(jìn)行闡述和說明。

低壓斷路器產(chǎn)品失效部位經(jīng)常為其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件,因此有必要對(duì)低壓斷路器的運(yùn)功部件,做相關(guān)的力學(xué)分析。邢壘壘[1]通過ADAMS建立了斷路器剛性系統(tǒng),進(jìn)而通過ADAMS軟件內(nèi)部的優(yōu)化工具,設(shè)立目標(biāo)函數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能彈簧進(jìn)行了優(yōu)化。徐曉東[2]通過UG對(duì)機(jī)構(gòu)各個(gè)零件進(jìn)行剛性連接,進(jìn)而分析得到機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)據(jù)。胡正勇[3]通過數(shù)學(xué)建模的方法分別對(duì)塑殼斷路器和萬能式斷路器機(jī)構(gòu)部分做了分析。馬龍濤[4]通過ADAMS與Ncode軟件對(duì)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命仿真。顧建青[5]通過ADAMS與理論計(jì)算的方法對(duì)塑殼斷路器進(jìn)行仿真及計(jì)算。

在以往對(duì)萬能式斷路器觸頭系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的研究中,一般都是將各個(gè)部件視為剛性件進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析,也能得到一些有益的數(shù)據(jù)。在實(shí)際的產(chǎn)品工作過程中,萬能式斷路器內(nèi)部零件在彈簧沖擊力的作用下系統(tǒng)各個(gè)零件是變形的,若將所有零件視為剛性件,這與斷路器實(shí)際工況是有出入的,因此有必要對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行柔性化處理,然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行剛-柔耦合[6-8]分析。產(chǎn)品關(guān)鍵部件在運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變,將是本文解決的重要問題。

1 萬能式斷路器動(dòng)力學(xué)模型的建立

萬能式斷路器主要部件由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、電機(jī)、觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、抽屜座、附件等組成。在含有萬能式斷路器的配電線路中,是通過萬能式斷路器的合閘完成線路供電,通過分閘動(dòng)作完成線路斷電。斷路器的合閘與分閘主要是通過操作機(jī)構(gòu)的合閘與分閘帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)完成整個(gè)產(chǎn)品的分、合閘。本文研究的重點(diǎn)是觸頭系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)系統(tǒng),觸頭系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是通過動(dòng)觸頭連桿進(jìn)行連接。萬能式斷路器簡化模型如圖1所示。

圖1 萬能式斷路器簡化模型

1.1 動(dòng)力學(xué)模型建立所需要的基本數(shù)據(jù)

要建立系統(tǒng)的剛-柔耦合模型,直接導(dǎo)入從Creo轉(zhuǎn)化的x-t文件將不再合適,本文是將模型零件從裝配體中導(dǎo)出,然后將.mnf文件和裝配體導(dǎo)出的零件x-t依次導(dǎo)入ADAMS中。這樣做的好處是不管剛性部件,還是柔性部件都能保留裝配體的位置關(guān)系。在ADAMS中根據(jù)觸頭系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立各種約束關(guān)系,如轉(zhuǎn)動(dòng)副、固定副、接觸、彈簧等。其中系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副的定義如表1所示;系統(tǒng)接觸關(guān)系的定義如表2所示;機(jī)構(gòu)部件彈簧的參數(shù)如表3所示。

表1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副的定義

表2 系統(tǒng)接觸關(guān)系的定義

表3 機(jī)構(gòu)部件彈簧的參數(shù)

1.2 系統(tǒng)剛-柔耦合模型的建立

ADAMS中創(chuàng)建柔性體的方法有3種:第一種是將構(gòu)建離散為有限數(shù)量的剛性體,這些離散后的剛性體兩兩之間再通過柔性梁進(jìn)行連接,這種方式只能適用于結(jié)構(gòu)簡單的模型,由于沒有考慮構(gòu)建的慣性力,且離散的剛性體構(gòu)建任意兩點(diǎn)不能產(chǎn)生位移,故精度較低,無法適應(yīng)要求精度較高的場(chǎng)合,在實(shí)際的操作中除了柔性體參數(shù)不好把控外,離散并連接剛性體也較為繁瑣,容易犯錯(cuò);第二種方法是通過ADAMS自帶的柔性體模塊進(jìn)行直接創(chuàng)建.mnf文件,但是這種方式在實(shí)際動(dòng)力學(xué)分析中只適應(yīng)于結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)建,不適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)及構(gòu)建;第三種方式是精度最好的方式,一般是通過其他有限元仿真軟件之間的接口相互轉(zhuǎn)換,最終轉(zhuǎn)化為ADAMS所需的.mnf文件。

為了提高仿真精度,以Hypermesh為前處理軟件,對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在需要分析的零部件轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置建立mass21質(zhì)量點(diǎn),理論上設(shè)置質(zhì)量點(diǎn)質(zhì)量為1e-6,其對(duì)仿真結(jié)果幾乎沒有影響;之后將所建立質(zhì)量點(diǎn),通過rigids將質(zhì)量點(diǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)中心表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,最后導(dǎo)出Ansys可識(shí)別的.cbd文件。通過Ansys導(dǎo)入Hypermesh導(dǎo)出的.cbd文件后,再通過命令流的方式轉(zhuǎn)化為ADAMS需求的模態(tài)中性.mnf文件。

在Hypermesh中建立模型,下連桿有限元模型如圖2所示。

圖2 下連桿有限元模型

本文研究的系統(tǒng)是由機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成,兩個(gè)系統(tǒng)通過動(dòng)觸頭連桿進(jìn)行連接。其中機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在分閘狀態(tài)為五連桿機(jī)構(gòu),合閘狀態(tài)為四連桿機(jī)構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作運(yùn)行就是在四連桿、五連桿間相互轉(zhuǎn)換完成一系列連貫動(dòng)作。

2 斷路器實(shí)驗(yàn)

2.1 以多剛體動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)對(duì)短耐實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)能軸變形的仿真分析

斷路器的短耐實(shí)驗(yàn)是指斷路器合閘狀態(tài)下,斷路器在一定時(shí)間內(nèi)一般為1 s,能夠承受多大的短路電流,如65 kA,85 kA,100 kA,135 kA等,每個(gè)廠家的參數(shù)由各自廠家技術(shù)能力決定其指標(biāo)。斷路器在通過短路電流時(shí),由于霍姆力和洛倫茲力[9-11]的存在,斷路器動(dòng)、靜觸頭間會(huì)存在強(qiáng)大的電動(dòng)力,短耐實(shí)驗(yàn)時(shí)動(dòng)、靜觸頭間的電動(dòng)力會(huì)通過觸頭系統(tǒng)、連桿傳遞到機(jī)構(gòu)系統(tǒng),再由機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的主軸、上連桿、下連桿、鳥頭、雙刀將電動(dòng)力傳遞到儲(chǔ)能軸上,進(jìn)而使儲(chǔ)能軸存在潛在失效風(fēng)險(xiǎn),造成產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)失敗。儲(chǔ)能軸彎曲變形如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能軸彎曲變形

在進(jìn)行高短耐實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)分閘,導(dǎo)致試品爆炸實(shí)驗(yàn)失敗,經(jīng)拆解樣機(jī)后發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能軸變形嚴(yán)重。針對(duì)這個(gè)問題,最直接的方法是對(duì)儲(chǔ)能軸進(jìn)行受力分析[12]。限于ADAMS進(jìn)行有限元分析時(shí),邊界條件受施加方式的限制,直接用ADAMS進(jìn)行分析有些難度。先通過ADAMS計(jì)算儲(chǔ)能軸受力,之后導(dǎo)入Ansys中,并在Ansys中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料施加、邊界條件、載荷條件等設(shè)置,完成儲(chǔ)能軸的有限元分析。具體過程:首先計(jì)算觸頭間的電動(dòng)力扭矩,再通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為觸頭上的力,此時(shí)觸頭上總受力為觸頭所受電動(dòng)力及原始靜觸頭的反作用力。對(duì)某一型號(hào)的斷路器分析計(jì)算可得在某一短耐指標(biāo)下,觸頭上的總壓力為11 000 N。問題轉(zhuǎn)化為斷路器合閘狀態(tài)下,動(dòng)、靜觸頭間的壓力為11 000 N時(shí),計(jì)算儲(chǔ)能軸的受力情況。通過ADAMS仿真計(jì)算合閘過程,只要保證機(jī)構(gòu)合閘后,觸頭間的反力為11 000 N,就能夠獲得機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的受力情況。其中,觸頭總壓力如圖4所示;儲(chǔ)能軸的受力如圖5所示。

圖4 觸頭總壓力

圖5 儲(chǔ)能軸受力

通過Ansys將儲(chǔ)能軸受力轉(zhuǎn)化為有限元模型,約束條件是根據(jù)實(shí)際位置在儲(chǔ)能軸上建立3處印記點(diǎn),其中兩邊處的印記點(diǎn)施加位移約束,約束條件為只允許軸向的移動(dòng),中間處印記點(diǎn)施加軸承載荷模擬實(shí)際零件鳥頭對(duì)軸的壓力。儲(chǔ)能軸應(yīng)力如圖6所示。為了減少應(yīng)力集中和應(yīng)力歧義的影響,對(duì)模型進(jìn)行了簡化,對(duì)簡化后的模型進(jìn)行受力分析,并做了網(wǎng)格無關(guān)性的分析,以應(yīng)力變化率為基準(zhǔn),設(shè)定為2%,迭代次數(shù)為4次。網(wǎng)格無關(guān)性迭代計(jì)算如圖7所示。由圖7可知,在第3次、第4次迭代后,誤差為1.3%,滿足2%的迭代要求。最大應(yīng)力處截面應(yīng)力變化如圖8所示。由圖8可知,最大應(yīng)力為731 MPa,經(jīng)過分析可知,最大應(yīng)力值只是倒角處表面的一層網(wǎng)格,在實(shí)際的工程應(yīng)用中此處的最大值仿真數(shù)據(jù)并不具備多少參考價(jià)值,真實(shí)具備參考價(jià)值的數(shù)據(jù)約為500 MPa。

圖7 網(wǎng)格無關(guān)性迭代計(jì)算

圖8 最大應(yīng)力處截面應(yīng)力變化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果,進(jìn)行了理論計(jì)算。由于儲(chǔ)能軸兩端為滑動(dòng)軸承,因此根據(jù)儲(chǔ)能軸在機(jī)構(gòu)中的裝配關(guān)系可以將儲(chǔ)能軸的受力簡化。簡化的儲(chǔ)能軸受力如圖9所示。簡化后的儲(chǔ)能軸為一光軸,這與實(shí)際的儲(chǔ)能軸幾何特征有所區(qū)別,工作場(chǎng)合完全可以通過簡化后的模型進(jìn)行理論計(jì)算來驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

圖9 簡化的儲(chǔ)能軸受力

理論計(jì)算與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,儲(chǔ)能軸受力分析對(duì)比如表4所示。斷路器常用材料力學(xué)性能如表5所示。短耐實(shí)驗(yàn)失敗的產(chǎn)品儲(chǔ)能軸材料為45鋼,通過表5及上述仿真數(shù)據(jù)可知45鋼材料力學(xué)性能理論上是不能滿足該短耐指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)理論計(jì)算及仿真結(jié)果,為了利用庫存的儲(chǔ)能軸不至于報(bào)廢造成損失,對(duì)儲(chǔ)能軸增加整體調(diào)制局部淬火的熱處理方式,再經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足短耐實(shí)驗(yàn)。

表4 儲(chǔ)能軸受力分析對(duì)比

表5 斷路器常用材料力學(xué)性能

2.2 下連桿斷裂仿真分析

以剛-柔耦合分析為基礎(chǔ),在斷路器壽命測(cè)試時(shí),對(duì)機(jī)構(gòu)下連桿斷裂的原因進(jìn)行仿真分析。產(chǎn)品在進(jìn)行壽命測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)下連桿有斷裂現(xiàn)象,下連桿斷裂圖如圖10所示。建立機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的剛-柔耦合模型,根據(jù)仿真結(jié)果,在合閘過程中下連桿受力出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)刻進(jìn)行截圖。下連桿應(yīng)力如圖11所示。根據(jù)圖11,下連桿此時(shí)受到的理論最大的應(yīng)力為463 MPa,根據(jù)圖11還可獲知下連桿最大應(yīng)力處也即圖10中下連桿斷裂位置。

圖10 下連桿斷裂圖

圖11 下連桿應(yīng)力

為了降低在分合閘過程中下連桿應(yīng)力數(shù)值,增加下連桿厚度。增加厚度的下連桿應(yīng)力如圖12所示。由圖12可見,增加下連桿厚度可以有效降低下連桿應(yīng)力值。通過ADAMS獲取10處最大應(yīng)力值,最大應(yīng)力處節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表6所示,最大應(yīng)變處節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表7所示。最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)編號(hào)688。在合閘過程中,節(jié)點(diǎn)編號(hào)688所有應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖13所示。由圖13可知,在0.039 6 s時(shí),下連桿受到最大應(yīng)力。

圖12 增加厚度的下連桿應(yīng)力

表6 最大應(yīng)力處節(jié)點(diǎn)編號(hào)

表7 最大應(yīng)變處節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖13 節(jié)點(diǎn)編號(hào)688所有應(yīng)力隨時(shí)間變化

通過以上分析,可以發(fā)現(xiàn)最終在ADAMS建立的剛-柔耦合虛擬樣機(jī)模型,經(jīng)過動(dòng)力學(xué)仿真,可以直觀地了解想要關(guān)注的零件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力等數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化。由于局限于機(jī)構(gòu)內(nèi)部其他零部件的位置關(guān)系,后續(xù)樣機(jī)制作中在其他條件相同的情況下,將下連桿的厚度更改為4 mm。通過壽命測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣機(jī)機(jī)械壽命提高到16 788次,經(jīng)樣機(jī)拆解發(fā)現(xiàn)下連桿未失效,實(shí)驗(yàn)停止的原因是由于機(jī)構(gòu)內(nèi)部其他零部件的失效造成的。

3 結(jié) 語

利用ADAMS建立了斷路器的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,通過ADAMS與Ansys聯(lián)合仿真,計(jì)算分析了在高短耐實(shí)驗(yàn)時(shí)斷路器儲(chǔ)能軸彎曲變形的原因。通過網(wǎng)格無關(guān)性及理論計(jì)算的方法檢驗(yàn)了計(jì)算結(jié)果的正確性。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,以儲(chǔ)能軸的仿真結(jié)果為參考,對(duì)其進(jìn)行材料及熱處理等方面的改進(jìn)可有效避免儲(chǔ)能軸彎曲變形問題的發(fā)生。

利用Creo、Hypermesh、Ansys、ADAMS建立了斷路器的剛-柔耦合分析模型。由于斷路器在分、合閘過程主要是通過彈簧的儲(chǔ)能與釋能完成,這樣就造成斷路器部分零件受到?jīng)_擊力的作用,尤其是既運(yùn)動(dòng)又受沖擊的零部件,如下連桿,對(duì)其進(jìn)行剛-柔耦合分析可直觀地觀察連桿受力過程,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以更加直觀地了解零件失效的根本原因。

本文建立的剛-柔耦合模型轉(zhuǎn)動(dòng)中心是通過剛性梁連接,其處理低壓斷路器系統(tǒng)的精度完全可以滿足工程應(yīng)用要求,要追求更高精度可以建立柔性梁連接,但會(huì)涉及很多參數(shù)需要實(shí)驗(yàn)總結(jié)。后續(xù)還可以利用商業(yè)疲勞仿真軟件對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行疲勞分析。