计算机仿真技术在航空断路器产品分析中的应用

2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

将多体动力学理论和计算机仿真软件进行了有机结合,在解决航空断路器产品触点预接触问题中,运用DDM运动与动力学分析软件,对SolidWorks三维。狮软件所生成的某型系列航空断路器数字模型,进行运动与动力学仿真;并运用COSMOS结构分析软件,对DDM分析合格后的产品进行固有频率等参数的计算,以达到优化设计的目的。
作者: 赵刚*王莉来源: 万方数据
关键字: 计算机软件可视性仿真航空断路器

对制造业而言,保证复杂结构产品的制造质量、优化设计、加快产品更新、提高产品性能,同时尽量减少试验风险是永恒的主题。产品虚拟样机设计是达到上述目标的基础,虚拟样机的运动与动力学分析、结构强度分析,对产品的设计与性能优化具有巨大的指导意义。

工程中的对象是由大量零部件构成的系统,在对它们进行优化与性能分析时可分为两大类:一类称为结构,其特征是在正常情况下构件间没有相对运动,人们关心的是这些结构在承受载荷时的强度、刚度与稳定性;另一类称为机构,特征是系统在运行过程中,零、部件间存在相对运动,一个复杂的力学系统通过零、部件间的相互约束关系即运动副连接起来,工程上也称为多体系统。

    1复杂机械需考虑的问题

    1.1机械系统中的运动学问题

在不考虑系统运动起因的情况下,研究各部件的位置、姿态、位移变化、速度与加速度的关系,称为系统的运动学分析,其数学模型为各部件的位置与姿态坐标的非线性代数方程,以及速度与加速度的线性代数方程。如某型系列断路器的杠杆绕圆柱头螺钉旋转的问题,绕过计算金属丝热膨胀而简化为运动学问题。

    1.2机械系统中的静力学问题

当系统受到静载荷时,确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力,这类问题称为系统的静力学分析,如断路器各零部件在接通或断开状态下的力学分析。

    1.3机械系统中的运动学正、逆混合问题

航空断路器产品最关心的问题是讨论载荷与系统运动的关系问题,即动力学问题。研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是工程设计中的重要问题。已知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分,称为动力学正问题;已知系统的运动确定运动副动反力的问题是系统各部件强度分析的基础,这类问题称为动力学逆问题。总之,现代的机械系统离不开控制技术,即系统的部分构件受控,当它们按某已知规律运动时,讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动力学正逆混合问题。

航空断路器产品的性态分析问题可归结为对复杂的机械系统的分析,对上面提到的三方面的问题需要进行综合分析、解决。

2以"虚拟设计"的理论确立问题解决方案

应用SolidWorks三维CAD软件对断路器产品的构型进行数字化设计,为"虚拟设计"奠定了基础,完成了力学模型的建立。

选择DDM(Dynamic De.signer/Motion for solidWorks)运动与动力学分析软件对SolidWorks三维CAD软件所生成的数字模型进行运动与动力学仿真,得到产品在各尺寸和外力作用下的性态。选择CoSMOS结构分析软件对运动与动力学分析合格后的产品进行固有频率等参数的计算,实现优化设计的目的。

由于运动学、动力学、有限元、边界元等理论的发展,使得分析方法实现了程式化,出现了SAP、NASTAN、ANSYS、ADAMS等一系列具有良好用户界面的分析软件。DDM和COSMOS软件是其中的佼佼者,并以其与CAD软件的高度集成和较高的性/价比成为我们的首选。工程技术人员只需按照软件要求的操作方法,为三维模型加载边界条件,数学模型的建立和数值分析过程均由计算机自动完成,并将分析结果以数据文件、图表、动画等直观的形式提供给用户。这样,工程技术人员可将主要精力用在对结果的分析与提出改进的对策上。

    3某型系列航空断路器产品各种状态下的性态分析

    3.1边界条件的设置

做运动与动力学分析前需在Solidworks环境中选择DDM插件,为某型系列断路器总装配体名义尺寸的三维模型加载DDM软件边界条件。边界条件包括:

a.定义装配体中参与运动的零部件和相对不动的零部件。

b.将SOlid、Ⅳorks中装配体的配合关系带人DDM环境,并重新整理为DDM中的铰链关系。因为DDM软件区分运动和相对不动的零部件后,将对其分别处理,建立不同的姿态坐标矩阵和关系矩阵,矩阵的复杂程度和运算量决定于零部件的数量和铰链关系,所以设定时遵循了"将没有相对运动的零件锁定于运动部件,使其成为一个整体的定义原则"和"零部件自由度最小原则"。

C.定义各零部件间的刚性碰撞,即在产品接通和断开的工作过程中,相互间的刚性阻挡关系。因DDM软件解决刚性碰撞需根据碰撞物体的材料考虑摩擦力、反弹力等因素,故系统需为每个碰撞关系创建并解算大量的方程。这将严重耗费系统资源,所以理论上不可能发生的碰撞关系应不予定义。

d.定义作用于装配体中的弹簧和弹簧的减振阻尼。在DDM中,弹簧和阻尼以图1中高亮显示的符号表示以力的形式参与运算,SolidWorks中弹簧的模型没有实际意义,所以应压缩,以减少系统负担。在DDM中弹簧与阻尼必须同时成对定义,以减轻弹簧振荡造成的能量和系统资源的浪费。图2所示为动触点弹簧片在产品上的安装位置,因在产品的接通和断开过程中弹簧片均变形,所以其扭矩对产品参数起到了不容忽视的作用。应作为DDM系统中的"Torsion"--扭矩弹簧定义。但扭矩弹簧表现为力的符号,不能作为刚体携带动触点参与产品运动。DDM软件为刚体系统的运动与动力学分析软件,不能处理弹簧片的柔性变形问题。所以为了较为准确地计算产品动、静触点的吸合压力和弹簧片扭矩的作用,将弹簧片变形部分去掉,代之以位置约束,这样等效处理后得到的计算结果与产品实测较接近,此方法证明是可行的。等效处理后的情况如图3所示。

e.定义产品所受外力,包括按钮部件在产品接通过程中所受的按压力、手动断开时的拉拔力、产品电脱扣时杠杆受到的力等。

力的定义,包括力的作用点、线或面,力的方向,力的大小等要素。其中"力的大小"项为力对时间的函数,可以是常数、等步长变化函数、曲线、自定义函数等。按扭部件接通力为自定义函数表达式(1),其中,每个"刚EP"项描述一个时间段内力的变化规律。意即在0至0.05s的时间段内,按压力由0匀速增长至35N。在0.05s至0.06s的时间段内,按压力在35N基础上匀速减至0。模拟手动接通产品时,先施加按压力,接通后松手的力的变化过程。

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    STEP(TIME,0,0,0.05,35)+STEP(TIME,0.05,0,0.06,-35) (1)

    同理定义拉拔力的自定义函数表达式如式(2)

    STEP(TIME,0,0,0.015,0)+STEP(TIME,0.015,-10,0.03,-25) (2)

    产品电脱扣时杠杆受到的力自定义函数表达式如式(3)

    STEP(TIME,0.009,0,0.01,8)+s1、EP(TIME,0.01,0,0.015,-8) (3)

f.为需进行尺寸变化的零部件建立相应的配置,以便计算不同尺寸时产品的各项参数。在DDM系统中进行了1~5条的边界条件设定后,如因改变某零部件尺寸而生成不同的零部件名称,将其重新装入产品时,与其相关的边界条件需重新设定,那将非常麻烦。而在产品中改换零部件的配置可继承原来的边界条件。针对DDM软件的这一特点,我们利用SolidWorks软件建立配置的功能,为大量的零部件建立了各尺寸下的配置,节约了宝贵的人力和计算机资源。

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3.2触点预接触故障分析

用变换零部件尺寸的方式构造并计算产品模型,以进行产品触点预接触故障分析。

    3.2.1导柱部件对产品锁扣过程的影响

由代人导柱部件相关配置的方法,得出结论:导柱部件的尺寸变化,没有带来产品触点的预接触问题,却对机构限位间隙产生了很大影响。如图4所示。

    3.2.2产品预接触故障的产生原因

部分零部件的上限尺寸配置是产品预接触故障的产生原因。当产品导柱部件选择名义尺寸配置而其他零部件尺寸选择上限尺寸配置和图纸边界条件时,产品锁扣过程发生了质的变化,出现了产品触点的预接触现象,具体数据见表1。部分零部件的尺寸趋于上限是产品预接触故障产生原因,当影响备用行程的所有尺寸均做到上限时,产品不仅发生预接触故障而且由于几何尺寸的原因无法完成锁扣过程。将杠杆槽开至3mm,斜簧改为9.7mm,弹性系数0.9N/mm,可消除预接触故障,但造成了机构灵活性降低的缺点。

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将杠杆改为59后,既能使机构灵活,又对其它参数没有任何影响。因为这种方法不影响其他技术指标,是增加机构灵活性的最好方法。经过以上分析,得出结论:产品触点的预接触原因是部分零部件趋于上限公差所致,且全部零件做成上限公差时,产品将由于几何尺寸的原因不能完成锁扣。将杠杆改为59,斜簧改为9.7mm,弹性系数0.9N/mm是解决预接触问题而不影响其他技术指标的最好方法。

    3.3优化设计

改刚性挡片为弹性挡片,构造并计算产品模型,以进行排除产品触点预接触故障模拟计算。

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    3.3.1压缩刚性挡片

用"动触点扭转弹簧片的特殊定义"的方式增加弹性挡片的定义,使弹性挡片既具有与导柱部件刚性碰撞的特性,又具有一定的扭矩。如图5所示。

    3.3.2赋值

分别赋予弹性挡片0.25和0.18的弹性系数及13.15,18.15,23.15。的弯形角,得到表2中的
一组数据。弹性元件的谐振问题不容忽视,在DDM软件输出结果的基础上,利用COSMOS结构分析软件分析其固有频率是本课题的又一重要内容。将弹性挡片在SolidWorks环境中打开,并启动COSMOS插件(图6中最右侧图标),对弹性挡片进行COSMOS边界条件设置。

a.应用"Direct Sparse"解算器(有外力作用的频率分析一般选用该解算器)由0Hz开始,计算5个谐振点。

    b.定义弹性挡片的材料。给出材料的弹性模量、泊松比、剪切模量、热膨胀系数、密度、比热、屈服强度、抗拉强度。

    C.如"边界条件图"所示,定义弹性挡片的2个孔为固定特性,并在底边加载I:I)M输出的力学条件。运算结果报告见表3和表4,可见该零件在低频段无谐振危险。

    4结束语

计算机仿真技术在航空断路器产品中已得到广泛应用,但由于弹性元件的等效处理和软件摩擦力加载处理能力等原因,定量化计算程度还有待进一步研究。