CN106202794A - 基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法。包括基于Simulink软件的继电器类单机功能仿真建模；通过多物理场有限元软件对单机组成继电器进行建模并计算其静、动态特性；应用Kriging法及变形能法建立各继电器动态特性快速计算模型；建立用于控制单机联合仿真工作的脚本文件，并根据单机设计与评估中不同的分析需要，控制各继电器动态特性快速计算模型与单机功能仿真模型完成继电器类单机的联合仿真。本发明将继电器有限元仿真、快速计算建模与单机功能仿真相结合，实现了各组成继电器输入参数波动对单机输出特性影响的高精度快速仿真分析。

Description

基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法

技术领域

本发明涉及一种继电器类单机输出特性获取方法，属于继电器类单机产品性能分析技术领域，具体涉及一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法。

背景技术

继电器类单机广泛应用于导弹等国防武器装备系统中，完成信号传递、控制、系统配电等功能，是国防武器系统中重要的组成部分，其性能及可靠性直接影响着整个国防武器系统的可靠性。研究继电器类单机联合仿真分析方法并对其输出特性进行求解计算，对继电器类单机的设计验证、性能评估、可靠性评价以及产品优化具有重要意义。

继电器类单机通常由电磁继电器、二极管、电阻等元器件构成，进行单机联合仿真分析需要通过建立单机功能仿真模型以及各元器件分析模块的实时调用来实现。其中，电磁继电器作为影响单机输出特性的关键元器件，需要进行重点分析。目前，针对电磁继电器的分析多采用数值分析方法，其中以有限元方法应用最为广泛。随着计算机技术的不断发展，不同领域的有限元分析软件也都日益成熟，如Ansys、Adams、Flux、Patran/Nastran等，虽然每种软件各有所长，但又都有一定的局限性。此外，研究加工公差等因素对继电器输出特性的影响所需计算量大，应用有限元方法进行分析需时较长，难以满足电磁继电器乃至继电器类单机输出特性的计算要求。因而，快速准确的对电磁继电器进行求解是实现继电器类单机仿真分析的前提。

近年来，采用数学手段建立机电元件近似模型实现快速计算的分析方法得到广泛应用。在常用的电磁系统近似模型构建方法中，响应面法和移动最小二乘法难以准确求解非线性程度较大的函数；基于神经网络的径向基函数法需要大量重复计算，时效性不高，且模型参数求解困难；继电器反力特性的计算，需要对簧片的柔度进行分析，而柔度的计算可以通过对簧片微分弯曲方程式进行二次积分的方式实现，但该方法计算困难，且对于各种复杂形状继电器簧片尤为明显。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的继电器类单机综合仿真分析方法所存在的各类问题，提供了一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法。该方法通过建立单机各组成继电器的多物理场有限元模型及快速计算模型，结合单机功能仿真实现了继电器类单机输出特性的高精度快速仿真分析。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，包括：

步骤1，对继电器类单机进行建模，将其电路原理图转化为单机功能仿真模型；

步骤2，按照所述继电器类单机内各继电器的工程图纸的尺寸信息建立三维模型；将所述三维模型导入有限元软件中，并对所述各继电器的电磁系统静态电磁特性与触簧系统反力特性进行仿真分析；实时调用所述有限元软件的仿真分析结果及求解模块完成所述各继电器的多物理场有限元仿真；

步骤3，以所述多物理场有限元仿真结果为基础，基于克里金插值Kriging法及变形能法分别建立所述各继电器电磁系统电磁特性及触簧系统反力特性的近似模型；通过所述电磁系统近似模型和所述触簧系统反力特性近似模型分别得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述各继电器输入参数波动对所述各继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立；

步骤4，建立可以调用所述各继电器动态特性快速计算模型并能够控制所述单机功能仿真模型工作的脚本文件；

步骤5，根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用所述各继电器的动态特性快速计算结果，并注入到所述单机功能仿真模型进行仿真计算，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析；

步骤6，通过单机功能仿真计算生成结果文件，对结果文件进行读取得到需要的继电器类单机输出特性信息。

优化的，上述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，所述步骤2中，

按照所述继电器的工程图纸的尺寸信息，在UG软件中建立所述继电器的三维模型，并在Anasys软件中建立所述继电器簧片的柔性体模型；将所述模型文件导入Flux软件及Adams软件中，进行分网及材料属性设置，生成有限元模型，并对所述继电器的静态电磁输出特性与动态机械参量进行计算；通过Matlab实时调用所述静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果，完成所述继电器的多物理场有限元仿真并输出动态特性计算结果。

优化的，上述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，所述步骤3中，

选取电磁继电器吸力曲线各拐点位置作为影响电磁系统暂态过程的关键节点，并在电磁系统关键设计参数公差范围内均匀选取若干参数节点，应用步骤2中的有限元方法计算各所述关键节点处各所述参数节点对应的电磁吸力特性；

以所述电磁吸力特性有限元计算结果为基础数据，基于Kriging法建立所述继电器电磁系统的近似模型；

应用变形能法对所述继电器簧片的柔度进行计算，并建立所述继电器触簧系统反力特性的近似模型；

通过静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果对电磁系统近似模型及所述触簧系统反力特性近似模型进行验证与修正，进而得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；

采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述继电器输入参数波动对所述继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立。

优化的，上述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，所述步骤5中，

根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用各型号继电器在不同输入参数条件下的动态特性快速计算结果，并注入到所述单机功能仿真模型中，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析。

因此，本发明具有如下优点：

(1)通过建立单机各组成继电器的多物理场有限元仿真模型，并以有限元仿真结果为基础，构建基于Kriging法及变形能法的继电器电磁系统电磁特性及触簧系统反力特性近似模型，结合所建立的单机功能仿真模型，实现了继电器类单机输出特性的高精度快速仿真分析；

(2)通过对继电器类单机输出特性的高精度快速仿真分析，得到继电器底层参数与单机输出特性的对应关系，为继电器类单机产品的设计验证、性能评估、可靠性评价以及产品优化奠定了基础。

附图说明

图1是本发明所述基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法的流程图；

图2是本发明所述电磁继电器动态特性多物理场有限元仿真流程图；

图3是本发明所述基于近似模型的电磁继电器动态特性快速计算流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤：

步骤1：基于Simulink软件对继电器类单机进行建模，将其电路原理图转化为单机功能仿真模型；

步骤2：通过CAD软件按照所述继电器类单机内各继电器的工程图纸的尺寸信息建立三维模型；将所述三维模型导入有限元软件中，并对所述各继电器的电磁系统静态电磁特性与触簧系统反力特性进行仿真分析；在Matlab中实时调用所述有限元软件的仿真分析结果及求解模块完成所述各继电器的多物理场有限元仿真；

步骤3：以所述多物理场有限元仿真结果为基础，基于Kriging法及变形能法分别建立所述各继电器电磁系统电磁特性及触簧系统反力特性的近似模型；通过所述电磁系统近似模型和所述触簧系统反力特性近似模型分别得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述各继电器输入参数波动对所述各继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立；

步骤4：建立可以调用所述各继电器动态特性快速计算模型并能够控制所述单机功能仿真模型工作的脚本文件；

步骤5：根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用所述各继电器的动态特性快速计算结果，并注入到所述单机功能仿真模型进行仿真计算，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析；

步骤6：通过单机功能仿真计算生成结果文件，对结果文件进行读取得到需要的继电器类单机输出特性信息。

完成基于多物理场有限元耦合仿真的继电器类单机联合仿真分析及输出特性获取。

其中：

步骤1中按照继电器类单机电路原理图，在Simulink软件中建立所述继电器类单机的功能仿真模型；

在步骤2中，以所述继电器类单机内的一种继电器为例进行说明，如图2所示，首先按照所述继电器的工程图纸的尺寸信息，在UG软件中建立所述继电器的三维模型，并在Anasys软件中建立所述继电器簧片的柔性体模型；将所述模型文件导入Flux软件及Adams软件中，进行分网及材料属性设置，生成有限元模型，并对所述继电器的静态电磁输出特性与动态机械参量进行计算；通过Matlab实时调用所述静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果，完成所述继电器的多物理场有限元仿真并输出动态特性计算结果；

如图3所示，在步骤3中，首先选取步骤二中所述电磁继电器吸力曲线各拐点位置作为影响电磁系统暂态过程的关键节点，并在电磁系统关键设计参数公差范围内均匀选取若干参数节点，应用步骤2中所述的有限元方法计算各所述关键节点处各所述参数节点对应的电磁吸力特性；以所述电磁吸力特性有限元计算结果为基础数据，基于Kriging法建立所述继电器电磁系统的近似模型；应用变形能法对所述继电器簧片的柔度进行计算，并建立所述继电器触簧系统反力特性的近似模型；通过步骤二中所述静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果对所述电磁系统近似模型及所述触簧系统反力特性近似模型进行验证与修正，进而得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述继电器输入参数波动对所述继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立；重复执行步骤2及步骤3，完成所述继电器类单机内各型号继电器的动态特性快速计算模型的建立；

在步骤4中，建立可以调用步骤3所述各型号继电器动态特性快速计算模型并能够控制步骤一所述单机功能仿真模型工作的脚本文件；

在步骤5中，根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用所述各型号继电器在不同输入参数条件下的动态特性快速计算结果，并注入到步骤一所述单机功能仿真模型中，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析；

在步骤6中，通过步骤五中所述单机功能仿真生成结果文件，对结果文件进行读取得到所述继电器类单机的输出特性信息。

完成基于多物理场有限元耦合仿真的所述继电器类单机联合仿真分析及输出特性获取流程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，其特征在于，包括：

步骤1，对继电器类单机进行建模，将其电路原理图转化为单机功能仿真模型；

步骤2，按照所述继电器类单机内各继电器的工程图纸的尺寸信息建立三维模型；将所述三维模型导入有限元软件中，并对所述各继电器的电磁系统静态电磁特性与触簧系统反力特性进行仿真分析；实时调用所述有限元软件的仿真分析结果及求解模块完成所述各继电器的多物理场有限元仿真；

步骤3，以所述多物理场有限元仿真结果为基础，基于克里金插值Kriging法及变形能法分别建立所述各继电器电磁系统电磁特性及触簧系统反力特性的近似模型；通过所述电磁系统近似模型和所述触簧系统反力特性近似模型分别得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述各继电器输入参数波动对所述各继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立；

步骤4，建立可以调用所述各继电器动态特性快速计算模型并能够控制所述单机功能仿真模型工作的脚本文件；

步骤5，根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用所述各继电器的动态特性快速计算结果，并注入到所述单机功能仿真模型进行仿真计算，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析；

步骤6，通过单机功能仿真计算生成结果文件，对结果文件进行读取得到需要的继电器类单机输出特性信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，其特征在于，所述步骤2中，

按照所述继电器的工程图纸的尺寸信息，在UG软件中建立所述继电器的三维模型，并在Anasys软件中建立所述继电器簧片的柔性体模型；将所述模型文件导入Flux软件及Adams软件中，进行分网及材料属性设置，生成有限元模型，并对所述继电器的静态电磁输出特性与动态机械参量进行计算；通过Matlab实时调用所述静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果，完成所述继电器的多物理场有限元仿真并输出动态特性计算结果。

3.根据权利要求1所述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，其特征在于，所述步骤3中，

选取电磁继电器吸力曲线各拐点位置作为影响电磁系统暂态过程的关键节点，并在电磁系统关键设计参数公差范围内均匀选取若干参数节点，应用步骤2中的有限元方法计算各所述关键节点处各所述参数节点对应的电磁吸力特性；

以所述电磁吸力特性有限元计算结果为基础数据，基于Kriging法建立所述继电器电磁系统的近似模型；

应用变形能法对所述继电器簧片的柔度进行计算，并建立所述继电器触簧系统反力特性的近似模型；

通过静态电磁输出特性及动态机械参量计算结果对电磁系统近似模型及所述触簧系统反力特性近似模型进行验证与修正，进而得到输入参数与电磁特性、机械特性的函数关系；

采用数值方法求解电磁继电器动态特性方程组，完成反映所述继电器输入参数波动对所述继电器输出特性变化影响的动态特性快速计算模型的建立。

4.根据权利要求1所述的一种基于多场有限元仿真的继电器类单机输出特性获取方法，其特征在于，所述步骤5中，

根据继电器类单机设计及评估中不同的分析需要，通过所述脚本文件实时调用各型号继电器在不同输入参数条件下的动态特性快速计算结果，并注入到所述单机功能仿真模型中，完成所述各继电器的输入参数波动对所述继电器类单机输出特性影响的仿真分析。