计算机仿真技术在航空断路器产品分析中的应用

    2以"虚拟设计"的理论确立问题解决方案
   
    应用SolidWorks三维CAD软件对断路器产品的构型进行数字化设计，为"虚拟设计"奠定了基础，完成了力学模型的建立。
   
    选择DDM(Dynamic De．signer／Motion for solidWorks)运动与动力学分析软件对SolidWorks三维CAD软件所生成的数字模型进行运动与动力学仿真，得到产品在各尺寸和外力作用下的性态。选择CoSMOS结构分析软件对运动与动力学分析合格后的产品进行固有频率等参数的计算，实现优化设计的目的。
   
    由于运动学、动力学、有限元、边界元等理论的发展，使得分析方法实现了程式化，出现了SAP、NASTAN、ANSYS、ADAMS等一系列具有良好用户界面的分析软件。DDM和COSMOS软件是其中的佼佼者，并以其与CAD软件的高度集成和较高的性／价比成为我们的首选。工程技术人员只需按照软件要求的操作方法，为三维模型加载边界条件，数学模型的建立和数值分析过程均由计算机自动完成，并将分析结果以数据文件、图表、动画等直观的形式提供给用户。这样，工程技术人员可将主要精力用在对结果的分析与提出改进的对策上。
   

    3某型系列航空断路器产品各种状态下的性态分析
   
    3．1边界条件的设置
   
    做运动与动力学分析前需在Solidworks环境中选择DDM插件，为某型系列断路器总装配体名义尺寸的三维模型加载DDM软件边界条件。边界条件包括：
   
    a．定义装配体中参与运动的零部件和相对不动的零部件。
   
    b．将SOlid、Ⅳorks中装配体的配合关系带人DDM环境，并重新整理为DDM中的铰链关系。因为DDM软件区分运动和相对不动的零部件后，将对其分别处理，建立不同的姿态坐标矩阵和关系矩阵，矩阵的复杂程度和运算量决定于零部件的数量和铰链关系，所以设定时遵循了"将没有相对运动的零件锁定于运动部件，使其成为一个整体的定义原则"和"零部件自由度最小原则"。
   
    C．定义各零部件间的刚性碰撞，即在产品接通和断开的工作过程中，相互间的刚性阻挡关系。因DDM软件解决刚性碰撞需根据碰撞物体的材料考虑摩擦力、反弹力等因素，故系统需为每个碰撞关系创建并解算大量的方程。这将严重耗费系统资源，所以理论上不可能发生的碰撞关系应不予定义。
   
    d．定义作用于装配体中的弹簧和弹簧的减振阻尼。在DDM中，弹簧和阻尼以图1中高亮显示的符号表示以力的形式参与运算，SolidWorks中弹簧的模型没有实际意义，所以应压缩，以减少系统负担。在DDM中弹簧与阻尼必须同时成对定义，以减轻弹簧振荡造成的能量和系统资源的浪费。图2所示为动触点弹簧片在产品上的安装位置，因在产品的接通和断开过程中弹簧片均变形，所以其扭矩对产品参数起到了不容忽视的作用。应作为DDM系统中的"Torsion"--扭矩弹簧定义。但扭矩弹簧表现为力的符号，不能作为刚体携带动触点参与产品运动。DDM软件为刚体系统的运动与动力学分析软件，不能处理弹簧片的柔性变形问题。所以为了较为准确地计算产品动、静触点的吸合压力和弹簧片扭矩的作用，将弹簧片变形部分去掉，代之以位置约束，这样等效处理后得到的计算结果与产品实测较接近，此方法证明是可行的。等效处理后的情况如图3所示。
   
    e．定义产品所受外力，包括按钮部件在产品接通过程中所受的按压力、手动断开时的拉拔力、产品电脱扣时杠杆受到的力等。
   
    力的定义，包括力的作用点、线或面，力的方向，力的大小等要素。其中"力的大小"项为力对时间的函数，可以是常数、等步长变化函数、曲线、自定义函数等。按扭部件接通力为自定义函数表达式(1)，其中，每个"刚EP"项描述一个时间段内力的变化规律。意即在0至0．05s的时间段内，按压力由0匀速增长至35N。在0．05s至0．06s的时间段内，按压力在35N基础上匀速减至0。模拟手动接通产品时，先施加按压力，接通后松手的力的变化过程。
   

    STEP(TIME，0，0，0.05，35)+STEP(TIME，0.05，0，0.06，-35) (1)
   
    同理定义拉拔力的自定义函数表达式如式(2)
   
    STEP(TIME，0，0，0.015，0)+STEP(TIME，0.015，-10，0.03，-25) (2)
   
    产品电脱扣时杠杆受到的力自定义函数表达式如式(3)
   
    STEP(TIME，0.009，0，0.01，8)+s1、EP(TIME，0.01，0，0.015，-8) (3)
   
    f．为需进行尺寸变化的零部件建立相应的配置，以便计算不同尺寸时产品的各项参数。在DDM系统中进行了1～5条的边界条件设定后，如因改变某零部件尺寸而生成不同的零部件名称，将其重新装入产品时，与其相关的边界条件需重新设定，那将非常麻烦。而在产品中改换零部件的配置可继承原来的边界条件。针对DDM软件的这一特点，我们利用SolidWorks软件建立配置的功能，为大量的零部件建立了各尺寸下的配置，节约了宝贵的人力和计算机资源。