計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品分析中的應(yīng)用

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

將多體動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,在解決航空斷路器產(chǎn)品觸點(diǎn)預(yù)接觸問題中,運(yùn)用DDM運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析軟件,對(duì)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)仿真;并運(yùn)用COSMOS結(jié)構(gòu)分析軟件,對(duì)DDM分析合格后的產(chǎn)品進(jìn)行固有頻率等參數(shù)的計(jì)算,以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
作者: 趙剛*王莉來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 計(jì)算機(jī) 軟件可視性仿真航空斷路器

對(duì)制造業(yè)而言,保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)、加快產(chǎn)品更新、提高產(chǎn)品性能,同時(shí)盡量減少試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)是永恒的主題。產(chǎn)品虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是達(dá)到上述目標(biāo)的基礎(chǔ),虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化具有巨大的指導(dǎo)意義。

工程中的對(duì)象是由大量零部件構(gòu)成的系統(tǒng),在對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化與性能分析時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng),人們關(guān)心的是這些結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性;另一類稱為機(jī)構(gòu),特征是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,零、部件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)通過零、部件間的相互約束關(guān)系即運(yùn)動(dòng)副連接起來,工程上也稱為多體系統(tǒng)。

    1復(fù)雜機(jī)械需考慮的問題

    1.1機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題

在不考慮系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析,其數(shù)學(xué)模型為各部件的位置與姿態(tài)坐標(biāo)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(jì)算金屬絲熱膨脹而簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。

    1.2機(jī)械系統(tǒng)中的靜力學(xué)問題

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

    1.3機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)的關(guān)系問題,即動(dòng)力學(xué)問題。研究復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在載荷作用下各部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是工程設(shè)計(jì)中的重要問題。已知外力求系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的問題歸結(jié)為求非線性微分方程的積分,稱為動(dòng)力學(xué)正問題;已知系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)確定運(yùn)動(dòng)副動(dòng)反力的問題是系統(tǒng)各部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ),這類問題稱為動(dòng)力學(xué)逆問題?？傊?現(xiàn)代的機(jī)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(dāng)它們按某已知規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí),討論在外載荷作用下系統(tǒng)其他構(gòu)件如何運(yùn)動(dòng)。這類問題稱為動(dòng)力學(xué)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(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的分析,對(duì)上面提到的三方面的問題需要進(jìn)行綜合分析、解決。

2以"虛擬設(shè)計(jì)"的理論確立問題解決方案

應(yīng)用SolidWorks三維CAD軟件對(duì)斷路器產(chǎn)品的構(gòu)型進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì),為"虛擬設(shè)計(jì)"奠定了基礎(chǔ),完成了力學(xué)模型的建立。

選擇DDM(Dynamic De.signer/Motion for solidWorks)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)SolidWorks三維CAD軟件所生成的數(shù)字模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)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(duì)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析合格后的產(chǎn)品進(jìn)行固有頻率等參數(shù)的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

由于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、有限元、邊界元等理論的發(fā)展,使得分析方法實(shí)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(jià)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(xué)模型的建立和數(shù)值分析過程均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,并將分析結(jié)果以數(shù)據(jù)文件、圖表、動(dòng)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(duì)結(jié)果的分析與提出改進(jìn)的對(duì)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(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)的零部件和相對(duì)不動(dòng)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?yàn)镈DM軟件區(qū)分運(yùn)動(dòng)和相對(duì)不動(dòng)的零部件后,將對(duì)其分別處理,建立不同的姿態(tài)坐標(biāo)矩陣和關(guān)系矩陣,矩陣的復(fù)雜程度和運(yùn)算量決定于零部件的數(shù)量和鉸鏈關(guān)系,所以設(shè)定時(shí)遵循了"將沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件鎖定于運(yùn)動(dòng)部件,使其成為一個(gè)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(gè)碰撞關(guān)系創(chuàng)建并解算大量的方程。這將嚴(yán)重耗費(fèi)系統(tǒng)資源,所以理論上不可能發(fā)生的碰撞關(guān)系應(yīng)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(hào)表示以力的形式參與運(yùn)算,SolidWorks中彈簧的模型沒有實(shí)際意義,所以應(yīng)壓縮,以減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。在DDM中彈簧與阻尼必須同時(shí)成對(duì)定義,以減輕彈簧振蕩造成的能量和系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。圖2所示為動(dòng)觸點(diǎn)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(duì)產(chǎn)品參數(shù)起到了不容忽視的作用。應(yīng)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(hào),不能作為剛體攜帶動(dòng)觸點(diǎn)參與產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)。DDM軟件為剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)確地計(jì)算產(chǎn)品動(dòng)、靜觸點(diǎn)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(jì)算結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)測(cè)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(dòng)斷開時(shí)的拉拔力、產(chǎn)品電脫扣時(shí)杠桿受到的力等。

力的定義,包括力的作用點(diǎn)、線或面,力的方向,力的大小等要素。其中"力的大小"項(xiàng)為力對(duì)時(shí)間的函數(shù),可以是常數(shù)、等步長(zhǎng)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(dá)式(1),其中,每個(gè)"剛EP"項(xiàng)描述一個(gè)時(shí)間段內(nèi)力的變化規(guī)律。意即在0至0.05s的時(shí)間段內(nèi),按壓力由0勻速增長(zhǎng)至35N。在0.05s至0.06s的時(shí)間段內(nèi),按壓力在35N基礎(chǔ)上勻速減至0。模擬手動(dòng)接通產(chǎn)品時(shí),先施加按壓力,接通后松手的力的變化過程。

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    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(dá)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(shí)杠桿受到的力自定義函數(shù)表達(dá)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(jìn)行尺寸變化的零部件建立相應(yīng)的配置,以便計(jì)算不同尺寸時(shí)產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)。在DDM系統(tǒng)中進(jìn)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(shí),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(duì)DDM軟件的這一特點(diǎn),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(jì)算機(jī)資源。

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3.2觸點(diǎn)預(yù)接觸故障分析

用變換零部件尺寸的方式構(gòu)造并計(jì)算產(chǎn)品模型,以進(jìn)行產(chǎn)品觸點(diǎn)預(yù)接觸故障分析。

    3.2.1導(dǎo)柱部件對(duì)產(chǎn)品鎖扣過程的影響

由代人導(dǎo)柱部件相關(guān)配置的方法,得出結(jié)論:導(dǎo)柱部件的尺寸變化,沒有帶來產(chǎn)品觸點(diǎn)的預(yù)接觸問題,卻對(duì)機(jī)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(yù)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(yù)接觸故障的產(chǎn)生原因。當(dāng)產(chǎn)品導(dǎo)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(shí),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(diǎn)的預(yù)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(yù)接觸故障產(chǎn)生原因,當(dāng)影響備用行程的所有尺寸均做到上限時(shí),產(chǎn)品不僅發(fā)生預(yù)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(yù)接觸故障,但造成了機(jī)構(gòu)靈活性降低的缺點(diǎn)。

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將杠桿改為59后,既能使機(jī)構(gòu)靈活,又對(duì)其它參數(shù)沒有任何影響。因?yàn)檫@種方法不影響其他技術(shù)指標(biāo),是增加機(jī)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(diǎn)的預(yù)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(shí),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(yù)接觸問題而不影響其他技術(shù)指標(biāo)的最好方法。

    3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)

改剛性擋片為彈性擋片,構(gòu)造并計(jì)算產(chǎn)品模型,以進(jìn)行排除產(chǎn)品觸點(diǎn)預(yù)接觸故障模擬計(jì)算。

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    3.3.1壓縮剛性擋片

用"動(dòng)觸點(diǎn)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(dǎo)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(dòng)COSMOS插件(圖6中最右側(cè)圖標(biāo)),對(duì)彈性擋片進(jìn)行COSMOS邊界條件設(shè)置。

a.應(yīng)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(jì)算5個(gè)諧振點(diǎn)。

    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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

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

    4結(jié)束語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在航空斷路器產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)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(jì)算程度還有待進(jìn)一步研究。