計算機仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品分析中的應用

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

將多體動力學理論和計算機仿真軟件進行了有機結(jié)合,在解決航空斷路器產(chǎn)品觸點預接觸問題中,運用DDM運動與動力學分析軟件,對SolidWorks三維。獅軟件所生成的某型系列航空斷路器數(shù)字模型,進行運動與動力學仿真;并運用COSMOS結(jié)構(gòu)分析軟件,對DDM分析合格后的產(chǎn)品進行固有頻率等參數(shù)的計算,以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。
作者: 趙剛*王莉來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 計算機軟件可視性仿真航空斷路器

對制造業(yè)而言,保證復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計、加快產(chǎn)品更新、提高產(chǎn)品性能,同時盡量減少試驗風險是永恒的主題。產(chǎn)品虛擬樣機設(shè)計是達到上述目標的基礎(chǔ),虛擬樣機的運動與動力學分析、結(jié)構(gòu)強度分析,對產(chǎn)品的設(shè)計與性能優(yōu)化具有巨大的指導意義。

工程中的對象是由大量零部件構(gòu)成的系統(tǒng),在對它們進行優(yōu)化與性能分析時可分為兩大類:一類稱為結(jié)構(gòu),其特征是在正常情況下構(gòu)件間沒有相對運動,人們關(guān)心的是這些結(jié)構(gòu)在承受載荷時的強度、剛度與穩(wěn)定性;另一類稱為機構(gòu),特征是系統(tǒng)在運行過程中,零、部件間存在相對運動,一個復雜的力學系統(tǒng)通過零、部件間的相互約束關(guān)系即運動副連接起來,工程上也稱為多體系統(tǒng)。

    1復雜機械需考慮的問題

    1.1機械系統(tǒng)中的運動學問題

在不考慮系統(tǒng)運動起因的情況下,研究各部件的位置、姿態(tài)、位移變化、速度與加速度的關(guān)系,稱為系統(tǒng)的運動學分析,其數(shù)學模型為各部件的位置與姿態(tài)坐標的非線性代數(shù)方程,以及速度與加速度的線性代數(shù)方程。如某型系列斷路器的杠桿繞圓柱頭螺釘旋轉(zhuǎn)的問題,繞過計算金屬絲熱膨脹而簡化為運動學問題。

    1.2機械系統(tǒng)中的靜力學問題

當系統(tǒng)受到靜載荷時,確定在運動副制約下的系統(tǒng)平衡位置以及運動副靜反力,這類問題稱為系統(tǒng)的靜力學分析,如斷路器各零部件在接通或斷開狀態(tài)下的力學分析。

    1.3機械系統(tǒng)中的運動學正、逆混合問題

航空斷路器產(chǎn)品最關(guān)心的問題是討論載荷與系統(tǒng)運動的關(guān)系問題,即動力學問題。研究復雜機械系統(tǒng)在載荷作用下各部件的動力學響應是工程設(shè)計中的重要問題。已知外力求系統(tǒng)運動的問題歸結(jié)為求非線性微分方程的積分,稱為動力學正問題;已知系統(tǒng)的運動確定運動副動反力的問題是系統(tǒng)各部件強度分析的基礎(chǔ),這類問題稱為動力學逆問題?？傊?現(xiàn)代的機械系統(tǒng)離不開控制技術(shù),即系統(tǒng)的部分構(gòu)件受控,當它們按某已知規(guī)律運動時,討論在外載荷作用下系統(tǒng)其他構(gòu)件如何運動。這類問題稱為動力學正逆混合問題。

航空斷路器產(chǎn)品的性態(tài)分析問題可歸結(jié)為對復雜的機械系統(tǒng)的分析,對上面提到的三方面的問題需要進行綜合分析、解決。

2以"虛擬設(shè)計"的理論確立問題解決方案

應用SolidWorks三維CAD軟件對斷路器產(chǎn)品的構(gòu)型進行數(shù)字化設(shè)計,為"虛擬設(shè)計"奠定了基礎(chǔ),完成了力學模型的建立。

選擇DDM(Dynamic De.signer/Motion for solidWorks)運動與動力學分析軟件對SolidWorks三維CAD軟件所生成的數(shù)字模型進行運動與動力學仿真,得到產(chǎn)品在各尺寸和外力作用下的性態(tài)。選擇CoSMOS結(jié)構(gòu)分析軟件對運動與動力學分析合格后的產(chǎn)品進行固有頻率等參數(shù)的計算,實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的目的。

由于運動學、動力學、有限元、邊界元等理論的發(fā)展,使得分析方法實現(xiàn)了程式化,出現(xiàn)了SAP、NASTAN、ANSYS、ADAMS等一系列具有良好用戶界面的分析軟件。DDM和COSMOS軟件是其中的佼佼者,并以其與CAD軟件的高度集成和較高的性/價比成為我們的首選。工程技術(shù)人員只需按照軟件要求的操作方法,為三維模型加載邊界條件,數(shù)學模型的建立和數(shù)值分析過程均由計算機自動完成,并將分析結(jié)果以數(shù)據(jù)文件、圖表、動畫等直觀的形式提供給用戶。這樣,工程技術(shù)人員可將主要精力用在對結(jié)果的分析與提出改進的對策上。

    3某型系列航空斷路器產(chǎn)品各種狀態(tài)下的性態(tài)分析

    3.1邊界條件的設(shè)置

做運動與動力學分析前需在Solidworks環(huán)境中選擇DDM插件,為某型系列斷路器總裝配體名義尺寸的三維模型加載DDM軟件邊界條件。邊界條件包括:

a.定義裝配體中參與運動的零部件和相對不動的零部件。

b.將SOlid、Ⅳorks中裝配體的配合關(guān)系帶人DDM環(huán)境,并重新整理為DDM中的鉸鏈關(guān)系。因為DDM軟件區(qū)分運動和相對不動的零部件后,將對其分別處理,建立不同的姿態(tài)坐標矩陣和關(guān)系矩陣,矩陣的復雜程度和運算量決定于零部件的數(shù)量和鉸鏈關(guān)系,所以設(shè)定時遵循了"將沒有相對運動的零件鎖定于運動部件,使其成為一個整體的定義原則"和"零部件自由度最小原則"。

C.定義各零部件間的剛性碰撞,即在產(chǎn)品接通和斷開的工作過程中,相互間的剛性阻擋關(guān)系。因DDM軟件解決剛性碰撞需根據(jù)碰撞物體的材料考慮摩擦力、反彈力等因素,故系統(tǒng)需為每個碰撞關(guān)系創(chuàng)建并解算大量的方程。這將嚴重耗費系統(tǒng)資源,所以理論上不可能發(fā)生的碰撞關(guān)系應不予定義。

d.定義作用于裝配體中的彈簧和彈簧的減振阻尼。在DDM中,彈簧和阻尼以圖1中高亮顯示的符號表示以力的形式參與運算,SolidWorks中彈簧的模型沒有實際意義,所以應壓縮,以減少系統(tǒng)負擔。在DDM中彈簧與阻尼必須同時成對定義,以減輕彈簧振蕩造成的能量和系統(tǒng)資源的浪費。圖2所示為動觸點彈簧片在產(chǎn)品上的安裝位置,因在產(chǎn)品的接通和斷開過程中彈簧片均變形,所以其扭矩對產(chǎn)品參數(shù)起到了不容忽視的作用。應作為DDM系統(tǒng)中的"Torsion"--扭矩彈簧定義。但扭矩彈簧表現(xiàn)為力的符號,不能作為剛體攜帶動觸點參與產(chǎn)品運動。DDM軟件為剛體系統(tǒng)的運動與動力學分析軟件,不能處理彈簧片的柔性變形問題。所以為了較為準確地計算產(chǎn)品動、靜觸點的吸合壓力和彈簧片扭矩的作用,將彈簧片變形部分去掉,代之以位置約束,這樣等效處理后得到的計算結(jié)果與產(chǎn)品實測較接近,此方法證明是可行的。等效處理后的情況如圖3所示。

e.定義產(chǎn)品所受外力,包括按鈕部件在產(chǎn)品接通過程中所受的按壓力、手動斷開時的拉拔力、產(chǎn)品電脫扣時杠桿受到的力等。

力的定義,包括力的作用點、線或面,力的方向,力的大小等要素。其中"力的大小"項為力對時間的函數(shù),可以是常數(shù)、等步長變化函數(shù)、曲線、自定義函數(shù)等。按扭部件接通力為自定義函數(shù)表達式(1),其中,每個"剛EP"項描述一個時間段內(nèi)力的變化規(guī)律。意即在0至0.05s的時間段內(nèi),按壓力由0勻速增長至35N。在0.05s至0.06s的時間段內(nèi),按壓力在35N基礎(chǔ)上勻速減至0。模擬手動接通產(chǎn)品時,先施加按壓力,接通后松手的力的變化過程。

計算機仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品分析中的應用+有限元項目服務(wù)資料圖圖片6

計算機仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品分析中的應用+有限元項目服務(wù)資料圖圖片7

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

    同理定義拉拔力的自定義函數(shù)表達式如式(2)

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

    產(chǎn)品電脫扣時杠桿受到的力自定義函數(shù)表達式如式(3)

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

f.為需進行尺寸變化的零部件建立相應的配置,以便計算不同尺寸時產(chǎn)品的各項參數(shù)。在DDM系統(tǒng)中進行了1~5條的邊界條件設(shè)定后,如因改變某零部件尺寸而生成不同的零部件名稱,將其重新裝入產(chǎn)品時,與其相關(guān)的邊界條件需重新設(shè)定,那將非常麻煩。而在產(chǎn)品中改換零部件的配置可繼承原來的邊界條件。針對DDM軟件的這一特點,我們利用SolidWorks軟件建立配置的功能,為大量的零部件建立了各尺寸下的配置,節(jié)約了寶貴的人力和計算機資源。

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3.2觸點預接觸故障分析

用變換零部件尺寸的方式構(gòu)造并計算產(chǎn)品模型,以進行產(chǎn)品觸點預接觸故障分析。

    3.2.1導柱部件對產(chǎn)品鎖扣過程的影響

由代人導柱部件相關(guān)配置的方法,得出結(jié)論:導柱部件的尺寸變化,沒有帶來產(chǎn)品觸點的預接觸問題,卻對機構(gòu)限位間隙產(chǎn)生了很大影響。如圖4所示。

    3.2.2產(chǎn)品預接觸故障的產(chǎn)生原因

部分零部件的上限尺寸配置是產(chǎn)品預接觸故障的產(chǎn)生原因。當產(chǎn)品導柱部件選擇名義尺寸配置而其他零部件尺寸選擇上限尺寸配置和圖紙邊界條件時,產(chǎn)品鎖扣過程發(fā)生了質(zhì)的變化,出現(xiàn)了產(chǎn)品觸點的預接觸現(xiàn)象,具體數(shù)據(jù)見表1。部分零部件的尺寸趨于上限是產(chǎn)品預接觸故障產(chǎn)生原因,當影響備用行程的所有尺寸均做到上限時,產(chǎn)品不僅發(fā)生預接觸故障而且由于幾何尺寸的原因無法完成鎖扣過程。將杠桿槽開至3mm,斜簧改為9.7mm,彈性系數(shù)0.9N/mm,可消除預接觸故障,但造成了機構(gòu)靈活性降低的缺點。

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將杠桿改為59后,既能使機構(gòu)靈活,又對其它參數(shù)沒有任何影響。因為這種方法不影響其他技術(shù)指標,是增加機構(gòu)靈活性的最好方法。經(jīng)過以上分析,得出結(jié)論:產(chǎn)品觸點的預接觸原因是部分零部件趨于上限公差所致,且全部零件做成上限公差時,產(chǎn)品將由于幾何尺寸的原因不能完成鎖扣。將杠桿改為59,斜簧改為9.7mm,彈性系數(shù)0.9N/mm是解決預接觸問題而不影響其他技術(shù)指標的最好方法。

    3.3優(yōu)化設(shè)計

改剛性擋片為彈性擋片,構(gòu)造并計算產(chǎn)品模型,以進行排除產(chǎn)品觸點預接觸故障模擬計算。

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    3.3.1壓縮剛性擋片

用"動觸點扭轉(zhuǎn)彈簧片的特殊定義"的方式增加彈性擋片的定義,使彈性擋片既具有與導柱部件剛性碰撞的特性,又具有一定的扭矩。如圖5所示。

    3.3.2賦值

分別賦予彈性擋片0.25和0.18的彈性系數(shù)及13.15,18.15,23.15。的彎形角,得到表2中的
一組數(shù)據(jù)。彈性元件的諧振問題不容忽視,在DDM軟件輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用COSMOS結(jié)構(gòu)分析軟件分析其固有頻率是本課題的又一重要內(nèi)容。將彈性擋片在SolidWorks環(huán)境中打開,并啟動COSMOS插件(圖6中最右側(cè)圖標),對彈性擋片進行COSMOS邊界條件設(shè)置。

a.應用"Direct Sparse"解算器(有外力作用的頻率分析一般選用該解算器)由0Hz開始,計算5個諧振點。

    b.定義彈性擋片的材料。給出材料的彈性模量、泊松比、剪切模量、熱膨脹系數(shù)、密度、比熱、屈服強度、抗拉強度。

    C.如"邊界條件圖"所示,定義彈性擋片的2個孔為固定特性,并在底邊加載I:I)M輸出的力學條件。運算結(jié)果報告見表3和表4,可見該零件在低頻段無諧振危險。

    4結(jié)束語

計算機仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品中已得到廣泛應用,但由于彈性元件的等效處理和軟件摩擦力加載處理能力等原因,定量化計算程度還有待進一步研究。