滑移跷板式开关结构有限元分析及参数优化

论文摘要

跷板开关属于低压电器产品,在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、电接触、可靠性等方面的原理与技术,因此设计过程比较复杂,产品开发周期长、资金投入大,长期以来企业走仿制路线,产品缺少技术含量。本文根据企业提高开关产品“开”和“关”的稳定性、可靠性的要求,以结构参数优化理论和方法为核心,主要做了以下工作:利用HyperMesh和LS-DYNA软件,建立了滑移跷板开关的有限元模型,进行了开关工作过程的动态虚拟和动力学仿真,得到了各组成件在开关工作时的应力变化图,得到了动触点与静触点间接触压力值;分析影响触点力大小的因素,选择静触点位置、顶杆长度、弹簧的弹性模量为正交试验因素。设计了三因素三水平的L9（34）正交试验方案,通过有限元动力学仿真分析,得到各结构参数条件下的触点力数值,用极差分析和方差分析两种方法对试验结果数据进行分析,得出三因素影响触点力大小的主次顺序及最优参数方案;在正交试验基础上,建立了优化设计数学模型,通过有限元仿真分析,得到弹性模量与触点力的5组试验数据,据此建立了触点力与弹性模量的拉格朗日插值多项式和最小二乘曲线拟合正交多项式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及选题意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国内外低压电器的发展趋势
• 1.2.2 我国低压电器开关产品特征
• 1.2.3 低压电器产品的设计技术
• 1.3 课题研究的主要内容和目标
• 1.3.1 问题描述
• 1.3.2 本文主要内容
• 1.3.3 本文解决的主要问题
• 2 有限元法在开关结构设计中的应用
• 2.1 有限元法及其分析过程
• 2.1.1 有限元法的发展
• 2.1.2 有限元法的特点
• 2.1.3 有限元法的分析过程
• 2.2 开关装置的结构和主要参数
• 2.2.1 开关种类和主要参数
• 2.2.2 滑移跷板式开关的结构组成
• 2.2.3 滑移跷板式开关构件的材料
• 2.3 有限元法在滑移跷板式开关结构设计中的应用
• 2.3.1 滑移跷板式开关结构设计特点
• 2.3.2 有限元法在滑移跷板式开关结构设计中的应用
• 2.4 本章小结
• 3 滑移跷板式开关有限元建模
• 3.1 有限元软件介绍
• 3.1.1 CAE技术
• 3.1.2 HyperMesh软件
• 3.1.3 LS-DYNA3D软件
• 3.2 有限元建模的内容和步骤
• 3.3 开关装置有限元模型的简化
• 3.3.1 模型简化原则
• 3.3.2 模型简化方法
• 3.3.3 滑移跷板开关模型的简化
• 3.4 开关模型的有限元网格划分
• 3.4.1 单元类型的选取
• 3.4.2 网格数量和网格密度的控制
• 3.4.3 网格的生成和调整
• 3.4.4 弹簧、顶杆、按钮的网格划分
• 3.5 定义滑移跷板式开关的材料特性
• 3.6 施加载荷和定义边界条件
• 3.7 有限元模型的描述
• 3.8 本章小结
• 4 有限元模型计算结果分析
• 4.1 开关装置不同时刻运动状态分析
• 4.2 开关装置各构件应力分布分析
• 4.3 动、静触点间接触压力分析
• 4.4 有限元分析的错误案例
• 4.4.1 缺少约束
• 4.4.2 跷板采用壳单元
• 4.4.3 运动时间定义问题
• 4.5 本章小结
• 5 正交试验优化开关装置关键参数
• 5.1 影响开关触点力的因素
• 5.2 正交试验法
• 5.3 正交试验方案设计
• 5.4 试验数据处理与结果分析
• 5.4.1 试验结果极差分析
• 5.4.2 试验结果方差分析
• 5.5 本章小结
• 6 开关装置结构参数优化设计
• 6.1 优化设计法
• 6.1.1 优化设计
• 6.1.2 优化算法
• 6.2 开关装置优化设计数学建模
• 6.2.1 优化设计的几何解释
• 6.2.2 设计变量的定义
• 6.2.3 目标函数的描述
• 6.2.4 约束条件的定义
• 6.3 构造触点力与弹性模量的拉格朗日插值多项式
• 6.4 用正交多项式作触点力与弹性模量的最小二乘曲线拟合
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 论文结论
• 7.2 后续研究工作及展望
• 致谢
• 参考文献