胡正勇，趙 瑩，冷北雪，徐湘憶

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611133)

對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)仿真分析的最終目的，是改進(jìn)優(yōu)化斷路器機(jī)構(gòu)，因此建立用于分析改進(jìn)的斷路器參數(shù)化仿真模型是非常必要的[1]。通過建立簡(jiǎn)單便捷的中文操作菜單和參數(shù)化部件，可以使工程技術(shù)人員不深入學(xué)習(xí)仿真軟件就能仿真分析和改進(jìn)優(yōu)化斷路器模型。參數(shù)化仿真模型是低壓電器數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要模塊之一，通過建立專用的低壓斷路器機(jī)構(gòu)仿真模型，可以有效地提高低壓電器設(shè)計(jì)水平。

由于商用軟件ADAMS計(jì)算求解精度高，使用普遍[2]，本文利用ADAMS軟件包及二次開發(fā)功能，建立了某款塑殼斷路器參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，可方便地修改樣機(jī)模型，進(jìn)行仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 參數(shù)化模型的建立

1.1 建立參數(shù)化部件

雖然ADAMS提供了圖形接口，以便用戶導(dǎo)入專業(yè)三維軟件建立的模型，但是ADAMS對(duì)于導(dǎo)入的模型是不能進(jìn)行參數(shù)化的，即不能修改模型部件。為了建立參數(shù)化模型，必須使用ADAMS自帶的建模器進(jìn)行建模。同時(shí)，受限于ADAMS的建模功能，對(duì)于一些對(duì)參數(shù)化模型沒有影響的復(fù)雜部件，只部分建?；蛘卟恢匦陆?。

對(duì)于參數(shù)化模型的自建模，ADAMS提供了四種類型的幾何體：剛性形體、柔性形體、點(diǎn)質(zhì)量和地基形體。參數(shù)化模型的自建模需要用圓柱形體(cylinder)來模擬各種轉(zhuǎn)軸和限位桿；利用片體(plate)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜連桿，動(dòng)觸頭等的建模；利用連接件(link)來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單連桿的建模。

ADAMS提供了參數(shù)表達(dá)式、參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)化和設(shè)計(jì)變量四種參數(shù)化方法[3]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)化模型部件的修改，采用marker點(diǎn)和point點(diǎn)結(jié)合的方式參數(shù)化。在模型里建立任何部件和約束，都會(huì)在相應(yīng)的位置生成marker點(diǎn)，或者說模型部件的構(gòu)建是以marker點(diǎn)為基礎(chǔ)的。因此，通過修改marker點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)修改模型。同時(shí)為了使多個(gè)marker點(diǎn)自動(dòng)聯(lián)系，同步運(yùn)動(dòng)，建立與周圍marker點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的point點(diǎn)。

point點(diǎn)的修改決定marker點(diǎn)的修改，而marker點(diǎn)又決定了部件形狀和模型參數(shù)。同理，模型中的各種約束也利用此特征實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。因此，仿真模型的參數(shù)化是以大量的可參數(shù)化marker點(diǎn)為基礎(chǔ)的，結(jié)合多個(gè)關(guān)聯(lián)point點(diǎn)，再輔以軟件包函數(shù)輸入功能，實(shí)現(xiàn)了完整的塑殼斷路器部件參數(shù)化模型。

1.2 開發(fā)人機(jī)交互輸入對(duì)話框

交互對(duì)話框包括各種界面對(duì)象，如標(biāo)題、數(shù)據(jù)區(qū)、按鈕等。參數(shù)化模型使用對(duì)話框編輯器(Dialog Box Builder)來創(chuàng)建和修改對(duì)話框以更好地滿足設(shè)計(jì)需要。定制一個(gè)模型部件參數(shù)輸入對(duì)話框的具體步驟如下。

(1)進(jìn)入對(duì)話框編輯器，新建一個(gè)對(duì)話框，命名為“shoubing”，如圖1所示。

圖1 新建、修改參數(shù)化部件對(duì)話框

(2)在新建的對(duì)話框中添加控件，包括Label、Field、Button等。

(3)在Field的Commands選項(xiàng)中添加命令。移動(dòng)一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的命令如下：

(4)然后對(duì)輸入的變量進(jìn)行屬性定義，將對(duì)話框中的數(shù)值賦值給設(shè)計(jì)變量。

(5)測(cè)試對(duì)話框(Test Box)并美化界面，完成定制。

用戶在對(duì)話框中輸入相關(guān)參數(shù)后，按下回車鍵，參數(shù)化部件就會(huì)自動(dòng)更新，然后就可以對(duì)新的模型進(jìn)行仿真分析。由于ADAMS不支持中文，為了使用方便，采用在對(duì)話框編輯器中貼圖的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)話框中文化。

1.3 參數(shù)化模型描述

參數(shù)化模型建立了需要重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化的所有參數(shù)化部件和對(duì)話框，以下舉例說明。

1.3.1手柄

建立的參數(shù)化手柄及對(duì)話框如圖2所示，其參數(shù)化方式為部分參數(shù)化，即不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的手柄上部復(fù)雜部分利用專業(yè)造型軟件建立并導(dǎo)入，手柄下部利用ADAMS造型并將兩者合并。手柄的邊緣折線處用多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)(marker)標(biāo)記，通過修改標(biāo)記點(diǎn)來修改手柄形狀，對(duì)話框中帶圈的標(biāo)記點(diǎn)即是可以修改的標(biāo)記點(diǎn)。圈旁邊有兩個(gè)輸入框，左輸入框表示X軸方向修改框，右輸入框表示Y軸方向修改框。右上角的只顯示部件按鈕表示只顯示手柄這一個(gè)部件，方便用戶觀察部件形狀并進(jìn)行修改；顯示全模型按鈕表示顯示整個(gè)模型，退回模型主界面。

左下角的密度輸入框可以方便地改變部件的密度，輸入框內(nèi)顯示的數(shù)值是默認(rèn)密度值，有利于用戶理解設(shè)置值并根據(jù)需要進(jìn)行修改。

底部的轉(zhuǎn)動(dòng)角度輸入框可以方便地轉(zhuǎn)動(dòng)手柄位置，從而調(diào)整手柄的初始位置，實(shí)現(xiàn)不同類型的仿真過程。

撤銷按鈕表示取消上一個(gè)的操作，便于用戶在誤操作之后回復(fù)到正確的初始模型。

關(guān)閉按鈕的功能為關(guān)閉當(dāng)前對(duì)話框。

圖2 參數(shù)化手柄及對(duì)話框

1.3.2跳扣對(duì)話框

參數(shù)化跳扣及對(duì)話框如圖3所示，其參數(shù)化方式為完全參數(shù)化，即只利用ADAMS造型。跳扣也是通過修改標(biāo)記點(diǎn)來修改模型，可以修改的標(biāo)記點(diǎn)用圈標(biāo)記。如果一個(gè)圈內(nèi)有多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，表示同時(shí)移動(dòng)這幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。

參數(shù)化模型的優(yōu)點(diǎn)之一是模型的自動(dòng)調(diào)整功能，為了達(dá)到此目標(biāo)，在修改部件時(shí)，有時(shí)需要同時(shí)修改其他部件，以實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)調(diào)整。例如：當(dāng)修改跳扣右下角孔位置時(shí)，需要同時(shí)修改側(cè)板上孔的位置，也需要調(diào)節(jié)穿過這個(gè)孔的軸銷的位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整吻合位置。參數(shù)化模型中很多地方都需要自動(dòng)調(diào)整，以保證模型的正確性。

圖3 參數(shù)化跳扣及對(duì)話框

1.3.3主軸

參數(shù)化主軸及對(duì)話框如圖4所示，其參數(shù)化方式為部分參數(shù)化。主軸的形狀隨著動(dòng)觸頭片的修改而修改，主軸和動(dòng)觸頭片相對(duì)角度不變，保證了動(dòng)觸頭片下沿與穿過主軸的槽的上沿貼合。

轉(zhuǎn)動(dòng)角度輸入框可以轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，相應(yīng)的動(dòng)觸頭片和主軸上的附屬零部件會(huì)跟著主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以便與調(diào)節(jié)初始位置和觸頭開距。

下連桿軸銷輸入框是移動(dòng)下連桿與主軸之間的連接軸銷，其目的是修改下連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，即下連桿軸銷的位置決定了下連桿下轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置。

彈簧作用點(diǎn)輸入框可以修改觸頭彈簧在主軸上的作用點(diǎn)，從而調(diào)節(jié)觸頭彈簧的作用方向和位置。

移動(dòng)靜觸頭輸入框可以移動(dòng)靜觸頭，從而調(diào)整靜觸頭的位置和動(dòng)觸頭匹配。

圖4 參數(shù)化主軸及對(duì)話框

1.3.4其他參數(shù)化部件及對(duì)話框

為了實(shí)現(xiàn)斷路器完整模型的參數(shù)化，參數(shù)化模型還建立了上連桿、下連桿、動(dòng)觸頭片、觸頭頂板等多個(gè)參數(shù)化部件及對(duì)話框，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模型部件的參數(shù)化。圖5為參數(shù)化上連桿及對(duì)話框。

圖5 參數(shù)化上連桿及對(duì)話框

1.4 專業(yè)應(yīng)用菜單的建立

為了方便用戶進(jìn)行模型的修改和優(yōu)化，特別定制了應(yīng)用菜單和用戶界面，方便用戶改變?cè)O(shè)計(jì)變量，自動(dòng)完成設(shè)計(jì)分析。

用戶菜單界面開發(fā)通過菜單編輯器來完成。通過Tools>Menu>Modify操作打開Menu Builder窗口進(jìn)行編輯。菜單文件是用解釋性語(yǔ)言編制的程序段，通過編制菜單文件的語(yǔ)法文件，可以定制自己所需的菜單。

菜單對(duì)象有四種類型：菜單、按鈕、開關(guān)按鈕和分割線[3]。參數(shù)化模型菜單界面語(yǔ)法主要使用Menu和Button兩個(gè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了添加“MCCB_400”一級(jí)菜單和“Modify parts”二級(jí)菜單；實(shí)現(xiàn)了添加“shoubing”，“ceban”，“tiaokou”等修改模型部件的按鈕；修改彈簧參數(shù)按鈕“Modify spring parameters”，修改摩擦碰撞參數(shù)按鈕“Modify friction contact parameters”等菜單，定制了完整的參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用菜單，如圖6所示。

圖6 參數(shù)化模型菜單編輯器

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊的添加

2.1 彈簧參數(shù)設(shè)置模塊

塑殼斷路器中的彈簧主要包括主彈簧和觸頭彈簧，參數(shù)包括彈簧預(yù)載荷，剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，由于小彈簧的阻尼系數(shù)較小，一般阻尼系數(shù)采用默認(rèn)值。

由于工程圖中沒有彈簧預(yù)載荷和剛度系數(shù)等數(shù)值，而是彈簧初始長(zhǎng)度H0，工作初始長(zhǎng)度H1，工作最大長(zhǎng)度H2，以及彈簧力F1和F2等。為了便于工程技術(shù)人員使用以及模型不同起始時(shí)刻的仿真，彈簧參數(shù)設(shè)置對(duì)話框采用工程圖參數(shù)輸入，如圖7所示。

圖7 彈簧參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

根據(jù)輸入的參數(shù)值，參數(shù)化模型仿真中，剛度系數(shù)K=fabs((F2-F1)/(H2-H1))。

彈簧載荷LOAD=(H0-模型中彈簧兩端距離L)×K。

2.2 摩擦碰撞參數(shù)設(shè)置模塊

仿真模型的摩擦系數(shù)和碰撞系數(shù)影響著仿真模型的準(zhǔn)確性，而且不同斷路器機(jī)構(gòu)的實(shí)際參數(shù)是有差異的，因此需要專用對(duì)話框來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖8所示。斷路器機(jī)構(gòu)基本都為鋼材，為了方便用戶，模型采用統(tǒng)一的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)默認(rèn)為有潤(rùn)滑的鋼-鋼摩擦系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)鋼-鋼摩擦系數(shù)如表1所示。

表1 鋼鋼摩擦系數(shù)表

碰撞系數(shù)有鋼-鋼碰撞和動(dòng)靜觸頭碰撞兩種，主要用來調(diào)節(jié)動(dòng)觸頭的反彈量，其他部件的碰撞彈跳不影響仿真過程，無需單獨(dú)設(shè)置。

圖8 摩擦碰撞參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

2.3 電動(dòng)力聯(lián)合仿真模塊

由于斷路器在開斷短路電流時(shí)動(dòng)觸頭會(huì)受到很大的電動(dòng)力，其運(yùn)動(dòng)特性與空載條件下有很大區(qū)別，因此電動(dòng)力的施加非常重要，需要制作電動(dòng)力聯(lián)合仿真對(duì)話框，如圖9所示。

圖9 電動(dòng)力聯(lián)合仿真對(duì)話框

影響斷路器機(jī)構(gòu)分閘速度的力是動(dòng)觸頭所受到的力，電動(dòng)力共分為3相。為了便于用戶在空載條件下仿真和短路條件下仿真中切換，通過啟用電動(dòng)力按鈕和停用電動(dòng)力按鈕來啟動(dòng)和停止該電動(dòng)力的施加。通過開始作用時(shí)刻輸入框來設(shè)置所計(jì)算的電動(dòng)力表格的開始作用時(shí)刻。

編輯時(shí)間電流網(wǎng)格按鈕和編輯電流開距電動(dòng)力網(wǎng)格按鈕是用來輸入實(shí)驗(yàn)電流和電動(dòng)力網(wǎng)格的。時(shí)間電流網(wǎng)格得到每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電流，相當(dāng)于I=f(t)，通過實(shí)驗(yàn)電流波形或者經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算；電流開距電動(dòng)力網(wǎng)格得到不同電流值不同開距下的電動(dòng)力，相當(dāng)于F=f(I,d)，通過電磁場(chǎng)分析軟件ANSYS或者ANSOFT計(jì)算得到[4]。ADAMS通過每個(gè)時(shí)刻t和此時(shí)對(duì)應(yīng)的開距d來插值電動(dòng)力值，其插值流程如圖10所示。

圖10 ADAMS電動(dòng)力插值流程示意圖

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

為了方便用戶實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的自動(dòng)優(yōu)化功能，需要建立專用的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。在優(yōu)化分析前，需要對(duì)優(yōu)化標(biāo)記點(diǎn)及相關(guān)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行變量的設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)模型的自適應(yīng)調(diào)整。

五連桿機(jī)構(gòu)中，最有優(yōu)化價(jià)值的是連桿的連接點(diǎn)，因此專門對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行了變量設(shè)置，供用戶優(yōu)化，建立的對(duì)話框如圖11所示。用戶可以直接進(jìn)行分析的變量一共有8個(gè)，分別是圖中所示的連桿連接處的X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)。所有的變量范圍默認(rèn)為-2至+2，同時(shí)用戶可以自行修改變量范圍。

圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)話框

優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的優(yōu)化流程如下：先點(diǎn)擊編輯腳本按鈕，進(jìn)行優(yōu)化腳本的編輯，然后點(diǎn)擊進(jìn)入優(yōu)化界面，系統(tǒng)彈出優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，用戶進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后，即可進(jìn)行優(yōu)化。完成優(yōu)化后，點(diǎn)擊完成優(yōu)化，自動(dòng)保存優(yōu)化后的模型。

2.5 調(diào)試仿真模塊

此對(duì)話框是進(jìn)行仿真調(diào)試和控制的對(duì)話框，如圖12所示，共分為3個(gè)部分，調(diào)試，仿真設(shè)置和腳本編輯及仿真。

圖12 調(diào)試仿真對(duì)話框

(1)調(diào)試部分。ADAMS中用戶修改部件后，會(huì)導(dǎo)致約束的標(biāo)記點(diǎn)分離，因此需要自動(dòng)調(diào)整各桿件的位置，以實(shí)現(xiàn)正確的裝配關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用自適應(yīng)調(diào)整功能來實(shí)現(xiàn)，即先用裝配分析將分離的約束點(diǎn)拉到同一位置，實(shí)現(xiàn)零件的重定位，然后再將此位置重新保存作為初始模型。

當(dāng)用戶修改了部件，會(huì)使得模型的約束點(diǎn)發(fā)生改變，因此需要用裝配分析來調(diào)整約束關(guān)系。當(dāng)裝配分析完成后，模型可能會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此需要進(jìn)行一段時(shí)間的仿真使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，得到穩(wěn)定的初始仿真模型。

(2)仿真設(shè)置部分。仿真設(shè)置的作用主要是設(shè)置各個(gè)作用力作用的時(shí)間，步數(shù)和大小。為了完成斷路器各種運(yùn)動(dòng)過程的仿真，共有四個(gè)作用

力，分別是合閘力、手動(dòng)分閘力、脫扣器上的脫扣做用力、再扣力。一般仿真設(shè)置表示沒有這四個(gè)力作用下的仿真過程。

(3)腳本編輯及仿真部分。首先點(diǎn)擊開始編輯腳本生成仿真腳本，腳本不需要用戶手動(dòng)填寫，只需要在供選擇的仿真過程中點(diǎn)擊相應(yīng)的過程即可。生成腳本后，點(diǎn)擊開始仿真進(jìn)行仿真，如果用戶發(fā)現(xiàn)過程有問題，可以點(diǎn)擊停止仿真，重新編輯腳本。當(dāng)仿真結(jié)果后，用戶可以通過錄像回放查看仿真過程，并且可以將模型保存在仿真中的任何時(shí)刻，用戶只需要輸入對(duì)應(yīng)的錄像幀數(shù)，然后點(diǎn)擊保存模型。

2.6 后處理模塊

通過仿真流程得到仿真結(jié)果后，用戶需要查看重要的仿真測(cè)量曲線，以了解仿真模型的性能，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。為了方便用戶查看仿真結(jié)果和對(duì)重要的變量進(jìn)行比較，參數(shù)化模型制作了后處理對(duì)話框，通過它可以方便地查看結(jié)果曲線以及模型運(yùn)動(dòng)過程，如圖13所示。

圖13 仿真結(jié)果后處理模塊

3 結(jié)語(yǔ)

(1)利用ADAMS軟件包及二次開發(fā)功能，建立了某款塑殼斷路器機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，其用戶界面友好，一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以直接使用。

(2)通過建立決定部件造型的標(biāo)記點(diǎn)，然后對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的值進(jìn)行變量和表達(dá)式賦值的方式，實(shí)現(xiàn)斷路器部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和約束的自適應(yīng)調(diào)整。

(3)為了方便工程技術(shù)人員使用，采用在對(duì)話框編輯器中貼圖的方式，建立了人性化的中文輸入界面，通過界面即可方便地修改樣機(jī)模型。

(4)完成了多個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的添加，包括彈簧參數(shù)設(shè)置模塊，電動(dòng)力聯(lián)合仿真模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊等。通過這些功能模塊，實(shí)現(xiàn)了從建模、參數(shù)設(shè)置、調(diào)試仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)到后處理的完整的參數(shù)化設(shè)計(jì)仿真模型。

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