(廈門宏發(fā)開關(guān)設(shè)備有限公司,福建 廈門 361021)
專用接觸器,國外北美地區(qū)通常稱為Definite Purpose Contactor或Definite Purpose Controller,是一類主要用于HVAC(暖通空調(diào):Heating,Ventilating,and Air-Conditioning,簡稱HVAC)行業(yè)中控制壓縮機(jī)、風(fēng)扇和冷卻泵等電動機(jī)負(fù)載的電氣控制設(shè)備。
本文采用美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對現(xiàn)有熱塑性材料軀殼專用接觸器插片進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究分析,并研究采用熱固性材料制作軀殼的專用接觸器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能,設(shè)計(jì)核算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù),對客戶接線插片結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。使產(chǎn)品不但更能符合專用接觸器國際標(biāo)準(zhǔn),其結(jié)構(gòu)性能上也通過創(chuàng)新取得突破,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國際專用接觸器產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。
ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件,主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場和聲場的分析,能夠與其它多數(shù)CAD軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和交換,被全球眾多的工程師和設(shè)計(jì)師使用,行業(yè)涉及廣泛。
本文采用最新版本的ANSYS Workbench 16.1(如圖1所示),并利用NX三維建模軟件,根據(jù)專用接觸器相關(guān)零零部件的尺寸、所使用材料的剛度與強(qiáng)度等要求,聯(lián)合建立專用接觸器的虛擬樣機(jī),流程如圖2所示。
將NX8.5建立的專用接觸器三維模型轉(zhuǎn)換成Parasolid格式,再導(dǎo)入ANSYS Workbench中,然后在ANSYS Workbench中建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模型。建立過程與其它建模分析過程基本相同,主要按如下步驟進(jìn)行:(1)建立有限元模型及添加材料參數(shù),網(wǎng)格選擇用六面體,劃分合適的單元、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格,并根據(jù)分析零件使用材料添加楊氏模量、泊松比;(2)施加載荷,對產(chǎn)品進(jìn)行固定,然后對擬分析部位進(jìn)行載荷施加;(3)分析、求解仿真分析,并對結(jié)果進(jìn)行記錄評價。
圖1 ANSYS Workbench軟件
圖2 專用接觸器的虛擬樣機(jī)建立流程圖
以熱塑性軀殼專用接觸器產(chǎn)品為例,客戶接線插片結(jié)構(gòu)部位建立的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,其中黃銅插片為受力零件,特別細(xì)化網(wǎng)格尺寸0.3mm,其中單元118040個,節(jié)點(diǎn)277292個。
對軀殼兩側(cè)面和插片頂部面(螺釘固定面)施加固定載荷(插片腳尾部僅是與軀殼槽輔助配合,固定力忽略不計(jì)),如圖4所示;對插片施加往外的等效力值,如圖5所示。
圖3 有限元模型
圖4 施加固定載荷
圖5 等效力值施加位置
查閱材料參數(shù)得知,黃銅的屈服強(qiáng)度為90~450MPa,取其中間值270MPa為參考量,通過施加不同等效力值進(jìn)行仿真,可知當(dāng)?shù)刃Яχ禐?90N時,其應(yīng)力為269.41MPa,達(dá)到了材料能承受的最大應(yīng)力值,會使插片腳折彎變形,如圖6所示。
圖6 施加290N等效力值的仿真結(jié)果
試驗(yàn)采用高精度荷重元配備數(shù)字式顯示器組合而成的拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī),如圖7所示,主要由測試臺、夾具、拉力頭、荷重感應(yīng)器、操作控制箱、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、顯示器等組成。試驗(yàn)時,將試驗(yàn)品采用夾具緊固在測試臺拉力臺上,在操作控制箱上進(jìn)行指令操作,以控制上夾具的移動實(shí)現(xiàn)拉力測試,拉力過程荷重感應(yīng)器會時時采集荷重?cái)?shù)據(jù),并保存在主機(jī)中,形成全過程的荷重曲線圖,通過顯示器上可觀察荷重與移動位移的關(guān)系圖曲線,并讀取所需數(shù)據(jù),如圖8所示。
圖7 拉力強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)
本試驗(yàn)采用3只產(chǎn)品共18個插片進(jìn)行拉力測試,每個插片單獨(dú)模擬客戶拔線拉出,測試其最大承受能力,試驗(yàn)出現(xiàn)失效的形式均表現(xiàn)為插片尾部固定腳折彎變形脫出軀殼固定槽,折彎變形位置與仿真分析一致,如圖9所示,每個插片位置承受拉力值記錄如表1所示。
圖8 荷重-時間關(guān)系曲線圖
圖9 熱塑性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)
考慮熱固性材料BMC(Bulk molding compounds的縮寫)的阻燃性和抗電痕性極好,受異常強(qiáng)熱作用時零件表面不會出現(xiàn)熔融塌陷現(xiàn)象,廣泛應(yīng)用于電氣行業(yè),特別是在北美地區(qū)大量使用(二十世紀(jì)60年代在前西德和英國首先得以應(yīng)用,70年代在美國得到很大的發(fā)展),對上述研究產(chǎn)品,改進(jìn)軀殼采用BMC材料。同時,為改進(jìn)插片脫出問題,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)改進(jìn),如插片結(jié)構(gòu)利用了金屬材料抗拉強(qiáng)度高的特性,采用了新的專利結(jié)構(gòu)方案,有效的改進(jìn)產(chǎn)品強(qiáng)度,本節(jié)主要就改進(jìn)后的BMC熱固性材料軀殼專用接觸器進(jìn)行仿真分析、試驗(yàn)。
與上述熱塑性材料軀殼專用接觸器仿真步驟相同,因?yàn)椴迤Y(jié)構(gòu)更改,相應(yīng)插片底部三角形凸塊側(cè)面增加固定載荷,如圖10所示;對插片施加往外的等效力值,如圖11所示。
由于熱固性材料軀殼專用接觸器的插片結(jié)構(gòu)更多的受力方式是拉伸結(jié)構(gòu),查閱材料參數(shù)得知,黃銅的拉伸強(qiáng)度為320~700MPa,取其中間值510MPa為參考量,通過施加不同等效力值進(jìn)行仿真,可知當(dāng)?shù)刃Яχ禐?80N時,其應(yīng)力為511.9MPa,達(dá)到了材料能承受的最大應(yīng)力值,說明插片能承受的最大拉力值為680N,如圖12所示。
表1 熱塑性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
圖10 施加固定載荷
圖11 等效力值施加方向
改進(jìn)后產(chǎn)品采用相同方式,測試3只產(chǎn)品共18個插片的拉力強(qiáng)度,試驗(yàn)出現(xiàn)失效的形式表現(xiàn)為插片尾部固定腳斷裂,與仿真分析失效點(diǎn)一致,如圖13所示,每個插片位置承受拉力值記錄如表2所示。
圖12 施加680N等效力值的仿真結(jié)果
圖13 熱固性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)
表2 熱固性材料軀殼專用接觸器插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
改進(jìn)前后接觸器進(jìn)行插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度分析、試驗(yàn)結(jié)果對比如圖14所示。對比結(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說明仿真分析有效。同時,在插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度方面,改進(jìn)后熱固性材料軀殼專用接觸器(插片承受最大拉力值約為722N)明顯優(yōu)于原有的熱塑性材料軀殼專用接觸器(插片承受最大拉力值約為288.2N),對于改善原有熱塑性材料軀殼專用接觸器在客戶端出現(xiàn)的插片折彎變形脫出軀殼問題有極大的作用。
圖14 插片模擬拔線支撐拉力強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對比
本文通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型,對現(xiàn)有熱塑性材料軀殼專用接觸器插片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析,并通過實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。同時對通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)、軀殼材料更改的熱固性材料軀殼專用接觸器進(jìn)行同樣的分析和對比試驗(yàn)。結(jié)果表明,通過創(chuàng)新的插片尾部固定結(jié)構(gòu)改進(jìn)應(yīng)用(已獲國家專利),熱固性軀殼產(chǎn)品插片承受最大拉力值得到質(zhì)的飛躍,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了大幅提升。本文的研究方法和改進(jìn)方案,將成為后續(xù)改進(jìn)或新開發(fā)產(chǎn)品的參考依據(jù),也可作為專用接觸器領(lǐng)域產(chǎn)品的改進(jìn)提供參考。