低压电器振动冲击失效仿真分析

黄　瑞,苗晓丹(.上海第二工业大学工程训练中心,上海009;.上海工程技术大学机械工程学院,上海060)



低压电器振动冲击失效仿真分析

黄瑞1,苗晓丹2
(1.上海第二工业大学工程训练中心,上海201209;2.上海工程技术大学机械工程学院,上海201620)

摘要:为了解决低压电器振动冲击工作条件下的失效机制研究问题,基于有限元法对断路器进行了振动冲击失效仿真分析,根据仿真分析得出了断路器结构所产生的应力分布,并结合测试结果对断路器进行材料和结构优化,从而避免振动冲击失效。进而验证了振动冲击的失效机制研究方法的可行性,并为断路器的结构设计及材料优化提供了一种有效的方法。

关键词:断路器;振动冲击;失效;仿真

0　引言

低压电器是电器工业的重要组成部分,在生产制造过程中主要起开关、控制、保护、检测、指示和报警等作用,它直接体现着一个国家的先进制造业和装备自动化水平[1]。近年来,随着国家电网的迅速发展,对电网安全运行至关重要的低压电器,如断路器、接触器、继电器以及各种开关等,提出了更高的要求。作为电力系统的安全卫士,必须同时把它的发展战略提到一个新的高度,以确保电力系统安全、稳定地运行。因此,与低压电器相对应的低压电器配件的功能就显得尤其重要。在现代质量管理中,对低压电器及其配件进行质量检验和振动冲击分析是非常重要的环节。

低压电器在使用过程中,由于所处的工作环境会受到来自外界的各种振动冲击作用,同时其自身在动作的过程中也会产生不同程度的振动冲击,这些振动冲击对低压电器尤其是其配件(封壳)会产生很大的影响。低压电器封壳由于自身形状的特殊性,在受到振动冲击时,某些部位会产生应力集中,从而导致封壳的损坏,影响低压电器的正常工作[2]。目前,对低压电器进行测试的项目主要集中在一般检查、电压降测定、温升测试实验、绝缘电阻和耐压测试、额定接通和分解能力测试、短路接通和分断能力测试等方面,对其封壳进行振动冲击分析则相对较少[3]。考虑到低压电器封壳对其本身功能的完整实现以及自身工作的安全稳定性的重要影响,对低压电器进行振动冲击分析显得十分重要。

张敬菽等[4]基于虚拟样机技术对断路器进行仿真研究采用ADMAS软件对机构进行动力学和机械特性分析;许文良等[5]借助参数化的多体动力学仿真分析模型,通过多次计算,实现了系统的自动优化。陈旭等[6]有学者建立了以磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)为基础的电弧模型及以热击穿为主的背后击穿物理模型,并把这种仿真算法和三维可视化技术结合起来,对低压断路器开断过程中的电弧运动进行了可视化仿真研究。ANSYS仿真分析具有可视化操作和建模的优点,且具有多物理场分析的综合强大功能,因此本文采用ANSYS对断路器的可靠性进行仿真分析,为器件的设计提供理论基础。

1　ANSYS三维建模与仿真分析

1.1仿真分析方法

本文的目的就是为低压电器配件振动冲击的分析研究提供一种方法,通过ANSYS软件对低压电器封壳在振动冲击过程中的应力变化进行分析来研究封壳的应力集中环节,找到产生应力集中的原因,并对配件中相对薄弱部分的结构做加强设计,通过一系列结构的优化来减小应力集中,提高低压电器的寿命和稳定性。

低压电器配件振动冲击仿真分析研究方法主要由前处理、仿真求解和后处理部分组成,其分析流程如图1所示。

图1　低压电器配件振动冲击ANSYS仿真分析流程Fig.1 ANSYS simulation analysis process for low voltage electrical parts shock and vibration

1.2ANSYS三维建模

断路器结构如图2所示,其中主要L型支撑结构材料为碳钢Q235,圆柱形的断路器电气连接部分的外绝缘保护层为环氧树脂材料。通过ANSYS软件直接建立低压电器配件的三维模型,有效地避免了通过UG软件实现建模后再导入到ANSYS中出现的部分几何体素丢失的问题。根据低压电器配件的形状,在ANSYS中进行建模时采用自顶向下和自底向上组合的建模技术。在对配件中的圆柱进行建模时采用自顶向下的建模方法,此种建模方法只需定义模型的最高级图元。针对模型中的棱柱等几何体素,用单独的ANSYS命令来生成。在使用自底向上的建模方法时,首先定义关键点,然后依次是相关的线、面、体。在建模过程中,以不影响振动冲击分析结果为前提,对已经建立好的UG三维模型的相关部位进行了简化处理,提高了建模的效率。

1.3定义单元属性

单元属性是ANSYS网格划分前必须指定的模型特性,包括单元类型、实常数、材料属性3部分。本设计准确地定义了模型的单元属性,从而使得这种近似模型最能逼近实体。

图2　断路器结构示意图Fig.2 Structure diagram of the circuit breaker

1.3.1确定模型的单元类型

由于本设计是针对低压电器配件进行的振动冲击仿真分析研究的,所建立的低压电器配件三维模型中需分析的结构比较简单,绝大多数可以很方便地划分为六面体单元,所以选择模型的单元类型为实体SOLID185,在保证单元类型真实性的基础上,可方便地实现网格的精确划分。另外,在对低压电器配件进行振动冲击分析的过程中,主要侧重于应力分析,因此,为了得到高精度的应力,本设计采用二次单元,从而使得应力的变化趋于线性。

1.3.2定义实常数

实常数是用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。由于确定模型的单元类型为实体SOLID185,低压电器配件模型的单元几何形状被完全确定,所以在ANSYS环境中无需定义模型的实常数。

1.3.3定义单元的材料属性

在对低压电器配件振动冲击仿真分析的研究中,需指定材料的密度DENS、弹性模量EX和泊松比PRXY。根据低压电器配件不同部位的实际材料特性,在ANSYS模型中定义了2种单元材料属性:对应于模型中圆柱形结构,将其材料的密度DENS指定为1 850 kg/m3,弹性模量EX指定为1 GPa,泊松比PRXY指定为0.4;将模型中其他部位材料的密度DENS指定为7 840 kg/m3,弹性模量EX指定为200 GPa,泊松比PRXY指定为0.3。和实体相对应,将模型中不同部位的材料定义为不同的特性,使模型中单元的材料属性更加接近实体,为后续有限元网格的划分及应力的准确分析奠定了基础。

1.4有限元网格的划分

考虑到低压电器配件形状的不规则性,以及在振动冲击过程中各部位所受应力大小的不一致性,本文采用了综合的网格划分方法。由于在低压电器配件根部,圆柱体与基座接触处发生的形状突变导致应力集中,以及整个圆柱体结构应力变化较大,所以在进行网格划分时,将网格划分得密一些,从而更能细微地体现该处应力的变化。而在其他的部位由于形状及应力变化都较小且均匀,同时为了减小模型的规模,将网格划分得稀疏一点。划分网格后的模型如图3所示。

图3　低压电器配件模型网格划分图Fig.3 Meshing of low voltage electrical fittings model

1.5施加约束和振动冲击载荷

在建立完有限元模型后,就需要对模型施加边界约束及载荷。考虑到低压电器配件在实际使用过程中固定在底座上,承受从底部向上的冲击,因此在对有限元模型施加边界约束时,假设模型的底部固定不动,拾取基座底面的所有外边界线,并选择ALL OFF作为约束自由度,从而限制了基座底部的6个自由度,实现了对有限元模型约束的施加。

在施加振动冲击载荷的过程中,为了精确模拟低压电器配件真实振动情况,采用瞬态动力分析法,分两步施加载荷,完成对配件的自底部向上的冲击。第一个载荷步,设置振动冲击的加速度为100g,并将其终止时间设置为5 s;第二个载荷步,设置振动冲击加速度为200g,终止时间设置为15 s。在完成约束和冲击载荷的施加后,即可进行求解。

2　仿真结果

在求解完成以后,通过POST26后处理器对振动冲击响应的结果和低压电器配件在承受振动冲击载荷后的应力变化进行查看,各部位的应力变化结果如图4所示。通过后处理观察得出,在振动冲击的过程中,低压电器配件结构中的两圆柱交接部分变形最大,且底座接近绝缘柱和绝缘柱顶部接口部分所产生的应力最大。如图4所示,真空断路器测试架外壳底座,其应力值最高265 MPa,已经超过了Q235的屈服极限,因此发生了变形;对于电绝缘件与底壳结合的底座处,应力值最高80 MPa,其值已经超过了环氧树脂的70 MPa的极限,因此发生了断裂。

图4　von Mises等效应力分布图Fig.4 Equivalent stress distribution

3　结论

对于测试外壳,其应力极限已经超过了材料的应力极限,因此,建议采用强度更高的碳钢材料或者在工艺允许的条件下加厚导轨的厚度。对于环氧树脂电绝缘材料,由于其受到的力与圆柱的轴线呈一定角度,所以,在承受外载荷力的情况下,还受到了较大的弯矩和转矩,使其较容易发生变形和断裂的情况。

参考文献:

[1]何瑞华,尹天文.我国低压电器现状与发展趋势[J].低压电器,2014(1):1-10.

[2]刘洪武,朱天胜,管瑞良.智能接触器在振动情况下的误动作现象仿真分析[J].低压电器,2010(11):1-3.

[3]陈建平,黄志杰.VD4型真空断路器合闸闭锁电磁铁烧毁现象分析及改进[J].电气技术,2009(10):59-61.

[4]张敬菽,陈德桂,刘洪武,等.基于虚拟样机技术的低压塑壳断路器仿真研究[J].系统仿真学报,2004,16(9):2118-2121.

[5]许文良,林建荣,李甲,等.低压电器机构动力学仿真及操作性能优化[J].低压电器,2010(23):8-12.

[6]陈旭,陈德桂.低压断路器可视化仿真系统的研究[J].电工电能新技术,2000(1):41-44.

简讯

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:黄瑞(1978–),女,河南郑州人,讲师,硕士,主要研究方向为低压电器。电子邮箱huangrui@sspu.edu.cn。

收稿日期:2015-07-02

文章编号:1001-4543(2016)01-0041-04

中图分类号:TM572

文献标志码:A