基于虚拟样机塑壳断路器的运动仿真与优化设计

论文摘要

随着计算机软件的发展,虚拟样机技术在产品的设计中得到越来越广泛的应用,同样,也成为低压电器行业开发的关键技术之一,尤其是仿真软件ADAMS的出现为电器产品的设计带来了飞跃性的进步。同传统的制作样机和反复试验相比较,虚拟样机技术的开发周期短、费用低、更具灵活性。精确建模,可获得同实际样机同样的性质;仿真分析,能得知每个时刻机构的运动状态;改变样机的结构和参数,可满足预先设定的要求,实现产品的优化设计。本课题以TIM1-125型塑壳断路器为研究目标,基于PRO/E和ADAMS软件结合实现其动力学系统的联合仿真分析。先在PRO/E中建立三维模型,并进行零部件的装配,运用MECHPRO接口软件实现数据的传递.实现了操作机构在空载条件下分闸、合闸、自由脱扣三种运动形式的仿真,得到动触头末端点的运动轨迹图,并将其获得的结果同实验数据相比较,修正虚拟样机模型。本文用ANSYS软件对触头间的电动斥力进行了有限元分析,将其计算结果施加在模型上,仿真了在短路情况下断路器的分断特性,并同在空载条件下分断时间进行比较,分析了电动斥力对分断时间的影响。在此模型上,仿真分析了各种结构参数对断路器操作机构分断速度的影响,包括分断弹簧、各连杆的转轴和关键零件的质心位置。并以提高断路器的分断速度为优化目标,对操作机构进行优化设计获得最佳结果。此外,滑扣也是该型号塑壳断路器实际生产中经常出现的问题,对断路器的安全影响很大,涉及到人身性命和工厂的正常运行,本文基于所建立的虚拟样机模型对问题产生的原因进行了分析,并提出了解决问题的方法。通过仿真分析和优化设计,为该型号的产品在设计、生产问题的解决和测试试验方面提供了理论依据,并进一部提高了产品的性能和可靠性与稳定性,也可为其他类型断路器的设计提供参考,具有实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 塑壳断路器的介绍
• 1.2.1 塑壳断路器的作用
• 1.2.2 塑壳断路器的结构
• 1.2.3 塑壳断路器的工作原理
• 1.2.4 塑壳断路器在国内外的现状和发展
• 1.3 虚拟样机技术
• 1.3.1 虚拟样机技术的概念
• 1.3.2 虚拟样机技术的特点
• 1.3.3 虚拟样机技术在低压电器中的应用
• 1.4 课题主要研究内容及意义
• 1.4.1 课题主要研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本章小结
• 第二章 多体系统动力学的理论研究
• 2.1 多体动力学系统简介
• 2.1.1 多刚体动力学基本原理
• 2.1.2 多刚系统动力学的工程背景
• 2.2 多体系统动力学R-W 方法
• 2.3 拉格朗日乘子法
• 2.3.1 动力学方程的建立
• 2.3.2 动力学方程的求解
• 2.4 ADAMS 软件简介及建模理论
• 2.4.1 ADAMS 软件简介
• 2.4.2 ADAMS 的建模理论
• 2.4.3 ADAMS 的仿真步骤
• 2.5 本章小结
• 第三章 操作机构动力学模型的建立
• 3.1 塑壳断路器的操作机构
• 3.1.1 操作机构的工作原理
• 3.1.2 操作机构的工作过程
• 3.2 系统动力学模型的建立
• 3.2.1 零部件及装配模型的建立
• 3.2.2 模型数据的传输
• 3.3 系统动力学模型约束、载荷、力的施加
• 3.3.1 系统动力学模型约束副的施加
• 3.3.2 力的驱动函数
• 3.3.3 关键弹簧的参数
• 3.4 本章小结
• 第四章 空载和短路条件下的仿真分析
• 4.1 修正模型
• 4.1.1 模型仿真的初结果
• 4.1.2 断路器实验验证
• 4.1.3 精制模型
• 4.2 仿真结果分析
• 4.2.1 操作机构的运动历程
• 4.2.2 仿真过程中弹簧受力分析
• 4.3 触头电动斥力的计算
• 4.3.1 霍尔姆力的计算
• 4.3.2 洛仑兹力的计算
• 4.3.3 ANSYS 有限元分析过程
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于操作机构模型关键问题的解决
• 5.1 对操作机构的优化设计
• 5.1.1 分断弹簧弹性系数对分断速度的影响
• 5.1.2 杆件轴位置对分断速度的影响
• 5.1.3 杆件形状对分断速度的影响
• 5.2 塑壳断路器滑扣的仿真分析
• 5.2.1 滑扣现象的原因分析
• 5.2.2 滑扣时受力分析及改进机构零件
• 5.3 本章小结
• 第六章 论文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 思考与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文