CN107016191A - 一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法 - Google Patents

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潘颖
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Abstract

本发明公开了一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，所述方法包括如下步骤：a)建立低压开关端盖的有限元模型；b)对步骤a)所建立的有限元模型施加连续瞬态载荷；c)分析求解低压开关端盖的内部应力大小及分布；d)根据分析结果，对低压开关端盖的结构进行优化。通过本发明方法能够得到低压开关端盖在受到连续瞬态冲击载荷下，其内部的应力及分布情况，从而为避免低压开关端盖在振动冲击情况下发生失效进行结构优化和设计提供依据；本发明应用性强，对低压开关的性能监测具有重要价值。

Description

一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法
技术领域
本发明是涉及一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法。
背景技术
近年来，随着电气化、自动化水平的提高，低压开关产品在工业自动化、家用电器、汽车、通信等领域得到了广泛的应用。同时，电力系统与低压配电系统中也使用了各种低压开关，如果这些低压开关发生故障就导致电力系统与低压配电系统发生故障而造成停电事故，甚至会危及供电线路和用电设备的安全，它所造成的经济损失将更为巨大。根据国家标准GB 14048.5-2008《低压开关设备和控制设备第5部分：控制电路电器和开关元件》的要求，低压开关的通断性能及寿命不仅是产品设计与制造工艺的综合表现，也是衡量低压开关性能优劣的重要指标。因此，开展各种低压开关的可靠性研究具有十分重要的意义。
低压开关在运行过程中由于使用不当、长期投入运行元器件老化和受到周围环境的振动冲击等原因均会出现故障，且故障种类繁多。例如，在低压开关受到振动冲击时，会导致触头脱落而引起接触不良；由于操作频率过高，使触头在过程中持续的振动而造成触头的快速磨损；由于动静触头接触电阻过大或通过电流过大，引起触头过热，当触头温度超过允许值时，使触头特性变坏，甚至产生熔焊等等。
由于低压开关在整个电力行业中的重要性以及其自身易出故障的性质，使得对低压开关进行检验测试以及对故障因素进行分析研究显得尤其重要。国外学者主要倾向于对低压开关现场故障诊断系统的研究，国内在低压开关寿命测试装置的研究方面作了一些工作，同时，国内也有学者在低压开关仿真技术方面进行了研究，主要包括热过程分析、电磁暂态过程特性分析、机构动作特性分析、开关电弧分析。然而，在对低压开关功能影响因素的分析中，还没有对低压开关端盖振动冲击失效进行仿真分析的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，通过建立低压开关端盖的数学模型、研究振动冲击与低压开关端盖之间的关系，从而掌握振动冲击对低压开关端盖性能的影响，进而预测在外部环境和自身内部振动冲击的影响下低压开关端盖的性能，为低压开关端盖在振动冲击情况下避免失效进行结构优化与设计提供依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，包括如下步骤：
1、一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立低压开关端盖的有限元模型，即：
a1)创建低压开关端盖的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
a2)对创建的三维几何模型进行网格划分；
a3)对进行网格划分的模型施加约束；
b)对步骤a)所建立的有限元模型施加连续瞬态载荷，即：
b1)选择瞬态分析；
b2)在时间为10秒时施加100个重力加速度的冲击载荷；
b3)在时间为30秒时再施加100个重力加速度的冲击载荷；
c)分析求解低压开关端盖的内部应力大小及分布，即：
c1)求解在时间为10秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c2)求解在时间为30秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c3)提取在10秒和30秒所产生的累计内应力大小；
d)根据分析结果，对低压开关端盖的结构进行优化。
作为优选方案，步骤a1)设置SOLID45作为网格划分单元类型。
作为优选方案，步骤a2)采用自由划分网格方式进行网格划分。
作为优选方案，步骤a3)对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
作为优选方案，所述的低压开关端盖的截面形状为倒T型。
作为优选方案，所述的低压开关端盖由环氧树脂制成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明首次提供了一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，通过本发明方法能够得到低压开关端盖在受到连续瞬态冲击载荷下，其内部的应力及分布情况，从而为低压开关端盖在振动冲击情况下避免失效进行结构优化与设计提供依据；本发明应用性强，对低压开关的性能监测具有重要价值。
附图说明
图1是本发明所述的低压开关端盖的结构示意图。
图中：1、低压开关端盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述：
如图1所示，本发明所述的低压开关端盖包括低压开关端盖1，所述的低压开关端盖1的截面形状为倒T型，采用环氧树脂制成。
本发明对低压开关端盖振动冲击失效进行仿真分析的方法，包括如下步骤：
a)建立低压开关端盖的有限元模型，即：
a1)创建低压开关端盖的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
a2)对创建的三维几何模型进行网格划分；
a3)对进行网格划分的模型施加约束；
b)对步骤a)所建立的有限元模型施加连续瞬态载荷，即：
b1)选择瞬态分析；
b2)在时间为10秒时施加100个重力加速度的冲击载荷；
b3)在时间为30秒时再施加100个重力加速度的冲击载荷；
c)分析求解低压开关端盖的内部应力大小及分布，即：
c1)求解在时间为10秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c2)求解在时间为30秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c3)提取在10秒和30秒所产生的累计内应力大小；
d)根据分析结果，对低压开关端盖的结构进行优化。
作为优选方案，步骤a1)设置SOLID45作为网格划分单元类型。
作为优选方案，步骤a2)采用自由(free)划分网格方式进行网格划分。
作为优选方案，步骤a3)对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
本发明所述的仿真分析方法可采用Ansys软件实现；所述的Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
实施例
采用Ansys软件对本发明所述的低压开关端盖振动冲击失效进行仿真分析：
步骤一：建立低压开关端盖的有限元模型
1、创建低压开关端盖的三维几何模型，并设置材料属性和网格划分单元类型
采用的环氧树脂材料参数为：密度ρ＝1.7×103kg/cm3，杨式模量E＝10.2×103Pa，泊松比μ＝0.42。
本发明中低压开关端盖模型网格划分单元类型采用SOLID45。
2、对创建的三维几何模型进行网格划分
网格划分方式通常有free及map两种，选择不同的方式将对求解的结果及计算精度产生决定性的影响，由于本发明中低压开关端盖的结构形状不复杂，本发明采用自由(free)划分网格方式来进行网格划分。
3、对进行网格划分的模型施加约束
本发明分别对L型支撑架的底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
步骤二：对步骤一所建立的有限元模型施加连续瞬态载荷，即：
b1)选择瞬态分析；
b2)在时间为10秒时施加100个重力加速度的冲击载荷；
b3)在时间为30秒时再施加100个重力加速度的冲击载荷；
步骤三：分析求解低压开关端盖的内部应力大小及分布，即：
c1)求解在时间为10秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c2)求解在时间为30秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c3)提取在10秒和30秒所产生的累计内应力大小；
由所述的低压开关端盖在振动冲击下的内部应力分布图可得知：位于倒T型端盖的垂直位置处均存在应力分布集中处。
步骤四：根据分析结果，对低压开关端盖的结构进行优化
根据步骤三的分析结果可以得知：位于倒T型端盖的垂直位置处均存在应力分布集中处的应力值分布较为集中且其应力值较大，但最大值没有环氧树脂应力允许值极限，但是为防止此处产生裂变，可在相应位置设立两个筋板，以分散集中应力。有了此分析结果，本领域的技术人员就有了对低压开关端盖进行结构优化的设计依据。
最后有必要在此指出的是，上述说明只用于对本发明的技术方案作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种仿真分析低压开关端盖振动冲击失效的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立低压开关端盖的有限元模型，即：
a1)创建低压开关端盖的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
a2)对创建的三维几何模型进行网格划分；
a3)对进行网格划分的模型施加约束；
b)对步骤a)所建立的有限元模型施加连续瞬态载荷，即：
b1)选择瞬态分析；
b2)在时间为10秒时施加100个重力加速度的冲击载荷；
b3)在时间为30秒时再施加100个重力加速度的冲击载荷；
c)分析求解低压开关端盖的内部应力大小及分布，即：
c1)求解在时间为10秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c2)求解在时间为30秒时的瞬态冲击载荷下所产生的内应力大小；
c3)提取在10秒和30秒所产生的累计内应力大小；
d)根据分析结果，对低压开关端盖的结构进行优化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a1)设置SOLID45作为网格划分单元类型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a2)采用自由划分网格方式进行网格划分。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤a3)对进行网格划分的模型施加6个自由度的边界条件约束。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的低压开关端盖的截面形状为倒T型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的低压开关端盖由环氧树脂制成。
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