黃　瑞,苗曉丹(.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心,上海009;.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海060)

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低壓電器振動(dòng)沖擊失效仿真分析

黃瑞1,苗曉丹2
(1.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心,上海201209;2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)

摘要:為了解決低壓電器振動(dòng)沖擊工作條件下的失效機(jī)制研究問(wèn)題,基于有限元法對(duì)斷路器進(jìn)行了振動(dòng)沖擊失效仿真分析,根據(jù)仿真分析得出了斷路器結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力分布,并結(jié)合測(cè)試結(jié)果對(duì)斷路器進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而避免振動(dòng)沖擊失效。進(jìn)而驗(yàn)證了振動(dòng)沖擊的失效機(jī)制研究方法的可行性,并為斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料優(yōu)化提供了一種有效的方法。

關(guān)鍵詞:斷路器;振動(dòng)沖擊;失效;仿真

0　引言

低壓電器是電器工業(yè)的重要組成部分,在生產(chǎn)制造過(guò)程中主要起開(kāi)關(guān)、控制、保護(hù)、檢測(cè)、指示和報(bào)警等作用,它直接體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的先進(jìn)制造業(yè)和裝備自動(dòng)化水平[1]。近年來(lái),隨著國(guó)家電網(wǎng)的迅速發(fā)展,對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行至關(guān)重要的低壓電器,如斷路器、接觸器、繼電器以及各種開(kāi)關(guān)等,提出了更高的要求。作為電力系統(tǒng)的安全衛(wèi)士,必須同時(shí)把它的發(fā)展戰(zhàn)略提到一個(gè)新的高度,以確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。因此,與低壓電器相對(duì)應(yīng)的低壓電器配件的功能就顯得尤其重要。在現(xiàn)代質(zhì)量管理中,對(duì)低壓電器及其配件進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和振動(dòng)沖擊分析是非常重要的環(huán)節(jié)。

低壓電器在使用過(guò)程中,由于所處的工作環(huán)境會(huì)受到來(lái)自外界的各種振動(dòng)沖擊作用,同時(shí)其自身在動(dòng)作的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)沖擊,這些振動(dòng)沖擊對(duì)低壓電器尤其是其配件(封殼)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。低壓電器封殼由于自身形狀的特殊性,在受到振動(dòng)沖擊時(shí),某些部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致封殼的損壞,影響低壓電器的正常工作[2]。目前,對(duì)低壓電器進(jìn)行測(cè)試的項(xiàng)目主要集中在一般檢查、電壓降測(cè)定、溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)、絕緣電阻和耐壓測(cè)試、額定接通和分解能力測(cè)試、短路接通和分?jǐn)嗄芰y(cè)試等方面,對(duì)其封殼進(jìn)行振動(dòng)沖擊分析則相對(duì)較少[3]?？紤]到低壓電器封殼對(duì)其本身功能的完整實(shí)現(xiàn)以及自身工作的安全穩(wěn)定性的重要影響,對(duì)低壓電器進(jìn)行振動(dòng)沖擊分析顯得十分重要。

張敬菽等[4]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)斷路器進(jìn)行仿真研究采用ADMAS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和機(jī)械特性分析;許文良等[5]借助參數(shù)化的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型,通過(guò)多次計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化。陳旭等[6]有學(xué)者建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)(Magnetohydrodynamics,MHD)為基礎(chǔ)的電弧模型及以熱擊穿為主的背后擊穿物理模型,并把這種仿真算法和三維可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái),對(duì)低壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程中的電弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了可視化仿真研究。ANSYS仿真分析具有可視化操作和建模的優(yōu)點(diǎn),且具有多物理場(chǎng)分析的綜合強(qiáng)大功能,因此本文采用ANSYS對(duì)斷路器的可靠性進(jìn)行仿真分析,為器件的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1　ANSYS三維建模與仿真分析

1.1仿真分析方法

本文的目的就是為低壓電器配件振動(dòng)沖擊的分析研究提供一種方法,通過(guò)ANSYS軟件對(duì)低壓電器封殼在振動(dòng)沖擊過(guò)程中的應(yīng)力變化進(jìn)行分析來(lái)研究封殼的應(yīng)力集中環(huán)節(jié),找到產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因,并對(duì)配件中相對(duì)薄弱部分的結(jié)構(gòu)做加強(qiáng)設(shè)計(jì),通過(guò)一系列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)減小應(yīng)力集中,提高低壓電器的壽命和穩(wěn)定性。

低壓電器配件振動(dòng)沖擊仿真分析研究方法主要由前處理、仿真求解和后處理部分組成,其分析流程如圖1所示。

圖1　低壓電器配件振動(dòng)沖擊ANSYS仿真分析流程Fig.1 ANSYS simulation analysis process for low voltage electrical parts shock and vibration

1.2ANSYS三維建模

斷路器結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中主要L型支撐結(jié)構(gòu)材料為碳鋼Q235,圓柱形的斷路器電氣連接部分的外絕緣保護(hù)層為環(huán)氧樹(shù)脂材料。通過(guò)ANSYS軟件直接建立低壓電器配件的三維模型,有效地避免了通過(guò)UG軟件實(shí)現(xiàn)建模后再導(dǎo)入到ANSYS中出現(xiàn)的部分幾何體素丟失的問(wèn)題。根據(jù)低壓電器配件的形狀,在ANSYS中進(jìn)行建模時(shí)采用自頂向下和自底向上組合的建模技術(shù)。在對(duì)配件中的圓柱進(jìn)行建模時(shí)采用自頂向下的建模方法,此種建模方法只需定義模型的最高級(jí)圖元。針對(duì)模型中的棱柱等幾何體素,用單獨(dú)的ANSYS命令來(lái)生成。在使用自底向上的建模方法時(shí),首先定義關(guān)鍵點(diǎn),然后依次是相關(guān)的線、面、體。在建模過(guò)程中,以不影響振動(dòng)沖擊分析結(jié)果為前提,對(duì)已經(jīng)建立好的UG三維模型的相關(guān)部位進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,提高了建模的效率。

1.3定義單元屬性

單元屬性是ANSYS網(wǎng)格劃分前必須指定的模型特性,包括單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性3部分。本設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地定義了模型的單元屬性,從而使得這種近似模型最能逼近實(shí)體。

圖2　斷路器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the circuit breaker

1.3.1確定模型的單元類型

由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)低壓電器配件進(jìn)行的振動(dòng)沖擊仿真分析研究的,所建立的低壓電器配件三維模型中需分析的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,絕大多數(shù)可以很方便地劃分為六面體單元,所以選擇模型的單元類型為實(shí)體SOLID185,在保證單元類型真實(shí)性的基礎(chǔ)上,可方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的精確劃分。另外,在對(duì)低壓電器配件進(jìn)行振動(dòng)沖擊分析的過(guò)程中,主要側(cè)重于應(yīng)力分析,因此,為了得到高精度的應(yīng)力,本設(shè)計(jì)采用二次單元,從而使得應(yīng)力的變化趨于線性。

1.3.2定義實(shí)常數(shù)

實(shí)常數(shù)是用于描述那些用單元幾何形狀不能完全確定的幾何參數(shù)。由于確定模型的單元類型為實(shí)體SOLID185,低壓電器配件模型的單元幾何形狀被完全確定,所以在ANSYS環(huán)境中無(wú)需定義模型的實(shí)常數(shù)。

1.3.3定義單元的材料屬性

在對(duì)低壓電器配件振動(dòng)沖擊仿真分析的研究中,需指定材料的密度DENS、彈性模量EX和泊松比PRXY。根據(jù)低壓電器配件不同部位的實(shí)際材料特性,在ANSYS模型中定義了2種單元材料屬性:對(duì)應(yīng)于模型中圓柱形結(jié)構(gòu),將其材料的密度DENS指定為1 850 kg/m3,彈性模量EX指定為1 GPa,泊松比PRXY指定為0.4;將模型中其他部位材料的密度DENS指定為7 840 kg/m3,彈性模量EX指定為200 GPa,泊松比PRXY指定為0.3。和實(shí)體相對(duì)應(yīng),將模型中不同部位的材料定義為不同的特性,使模型中單元的材料屬性更加接近實(shí)體,為后續(xù)有限元網(wǎng)格的劃分及應(yīng)力的準(zhǔn)確分析奠定了基礎(chǔ)。

1.4有限元網(wǎng)格的劃分

考慮到低壓電器配件形狀的不規(guī)則性,以及在振動(dòng)沖擊過(guò)程中各部位所受應(yīng)力大小的不一致性,本文采用了綜合的網(wǎng)格劃分方法。由于在低壓電器配件根部,圓柱體與基座接觸處發(fā)生的形狀突變導(dǎo)致應(yīng)力集中,以及整個(gè)圓柱體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較大,所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),將網(wǎng)格劃分得密一些,從而更能細(xì)微地體現(xiàn)該處應(yīng)力的變化。而在其他的部位由于形狀及應(yīng)力變化都較小且均勻,同時(shí)為了減小模型的規(guī)模,將網(wǎng)格劃分得稀疏一點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。

圖3　低壓電器配件模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Meshing of low voltage electrical fittings model

1.5施加約束和振動(dòng)沖擊載荷

在建立完有限元模型后,就需要對(duì)模型施加邊界約束及載荷。考慮到低壓電器配件在實(shí)際使用過(guò)程中固定在底座上,承受從底部向上的沖擊,因此在對(duì)有限元模型施加邊界約束時(shí),假設(shè)模型的底部固定不動(dòng),拾取基座底面的所有外邊界線,并選擇ALL OFF作為約束自由度,從而限制了基座底部的6個(gè)自由度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)有限元模型約束的施加。

在施加振動(dòng)沖擊載荷的過(guò)程中,為了精確模擬低壓電器配件真實(shí)振動(dòng)情況,采用瞬態(tài)動(dòng)力分析法,分兩步施加載荷,完成對(duì)配件的自底部向上的沖擊。第一個(gè)載荷步,設(shè)置振動(dòng)沖擊的加速度為100g,并將其終止時(shí)間設(shè)置為5 s;第二個(gè)載荷步,設(shè)置振動(dòng)沖擊加速度為200g,終止時(shí)間設(shè)置為15 s。在完成約束和沖擊載荷的施加后,即可進(jìn)行求解。

2　仿真結(jié)果

在求解完成以后,通過(guò)POST26后處理器對(duì)振動(dòng)沖擊響應(yīng)的結(jié)果和低壓電器配件在承受振動(dòng)沖擊載荷后的應(yīng)力變化進(jìn)行查看,各部位的應(yīng)力變化結(jié)果如圖4所示。通過(guò)后處理觀察得出,在振動(dòng)沖擊的過(guò)程中,低壓電器配件結(jié)構(gòu)中的兩圓柱交接部分變形最大,且底座接近絕緣柱和絕緣柱頂部接口部分所產(chǎn)生的應(yīng)力最大。如圖4所示,真空斷路器測(cè)試架外殼底座,其應(yīng)力值最高265 MPa,已經(jīng)超過(guò)了Q235的屈服極限,因此發(fā)生了變形;對(duì)于電絕緣件與底殼結(jié)合的底座處,應(yīng)力值最高80 MPa,其值已經(jīng)超過(guò)了環(huán)氧樹(shù)脂的70 MPa的極限,因此發(fā)生了斷裂。

圖4　von Mises等效應(yīng)力分布圖Fig.4 Equivalent stress distribution

3　結(jié)論

對(duì)于測(cè)試外殼,其應(yīng)力極限已經(jīng)超過(guò)了材料的應(yīng)力極限,因此,建議采用強(qiáng)度更高的碳鋼材料或者在工藝允許的條件下加厚導(dǎo)軌的厚度。對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂電絕緣材料,由于其受到的力與圓柱的軸線呈一定角度,所以,在承受外載荷力的情況下,還受到了較大的彎矩和轉(zhuǎn)矩,使其較容易發(fā)生變形和斷裂的情況。

參考文獻(xiàn):

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簡(jiǎn)訊

Simulation Analysis on Failure of Low Voltage Electrical Shock and Vibration

HUANG Rui1,MIAO Xiaodan2
(1.Engineer Training Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China;2.School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,P.R.China)

Abstract:In order to solve the problem of failure mechanism of low voltage electrical apparatus under the condition of vibration shock,the simulation analysis of the failure of the circuit breaker is carried out based on the finite element method.According to the simulation analysis,the stress distribution of the circuit breaker is obtained.Combined with the test results,the material and structure of the circuit breaker are optimized,so as to avoid the failure of the vibration shock.And then the feasibility of the research method of the failure mechanism of vibration shock is verified,which provides an effective method for the structural design and material optimization of circuit breaker.

Keywords:circuit breaker;vibration shock;failure;simulation

通信作者:黃瑞(1978–),女,河南鄭州人,講師,碩士,主要研究方向?yàn)榈蛪弘娖?。電子郵箱huangrui@sspu.edu.cn。

收稿日期:2015-07-02

文章編號(hào):1001-4543(2016)01-0041-04

中圖分類號(hào):TM572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A