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基于LS-DYNA的CT14高压断路器弹簧操动机构仿真与应
力分析
刘荣海;杨迎春;成立峰;郭新良;万书亭;何智华;张雄
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2017(53)10
【摘要】弹簧操动机构是CT14高压断路器的关键部件,其技术性能的优劣对断路器影响重大。
根据CT14高压断路器操动系统的结构尺寸及其三维实体模型,通过Hyper Mesh软件进行了有限元建模。
基于系统中存在凸轮与滚轮的非线性碰撞以及操动过程中大位移、大转动、大变形等特点,选用LS-DYNA软件作为应力分析计算的工具,得到了断路器操动机构在弹簧冲击载荷作用下的应力分布情况,以及各个零部件在操动过程中的应力动态变化。
分析了应力分布及其动态变化对断路器动力学性能的影响。
分析结果对于该型号断路器操动机构的优化设计和监控维护有重要的参考价值。
【总页数】7页(P29-35)
【关键词】高压断路器;弹簧操动机构;应力分析;有限元模型;LS—DYNA
【作者】刘荣海;杨迎春;成立峰;郭新良;万书亭;何智华;张雄
【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院;华北电力大学机械工程系【正文语种】中文
【中图分类】TM561.3
【相关文献】
1.档杆故障下高压断路器弹簧操动机构应力分布研究
2.高压断路器弹簧操动机构典型故障应力分析
3.断路器弹簧操动机构的仿真分析及试验研究
4.传动杆变形状态下CT14型断路器弹簧操动机构应力分布研究
5.高压断路器弹簧操动机构合闸弹簧可靠性分析
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基于 LS-DYNA的复合材料夹芯结构动态冲击仿真分析摘要：建立了飞机典型复合材料夹芯结构的有限元模型，利用大型动力有限元分析软件LS-DYNA对其进行动力学冲击仿真分析。
通过仿真分析结果与试验结果的对比研究，验证了仿真分析方法的准确性和可靠性。
研究结果为同类实际工程问题提供了科学可行的分析、解决手段和参考依据。
关键词：复合材料；夹芯结构；动态冲击；仿真分析1. 概述复合材料在飞机结构上的大量应用已经引发了航空制造业的一场革命，与此同时，复合材料飞机结构分析，特别是冲击动力响应分析显得非常有实际意义。
由于全尺寸飞机结构冲击试验周期长、操作困难，且成本巨大，难以得到预期丰富的数据结果。
自上世纪80年代后，美国空军飞行动力试验室开始使用MAGNA（材料和几何非线性分析）程序对现役飞机结构进行动力响应分析，取得了很好的分析结果，而且大大节省了新机型的研制费用和研制周期[1]。
随着计算机软、硬件技术的发展和有限元理论研究的深入，数值模拟仿真技术在航空飞行器领域得到越来越广泛的应用。
本文利用大型动力有限元分析软件LS-DYNA，对典型复合材料夹芯结构在冲击荷载作用下的动力响应问题进行了数值仿真分析。
2. LS-DYNA动力有限元分析简介LS-DYNA软件是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）以及摩擦和接触分离等界面状态非线性有限元分析程序。
它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流固耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能；是军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序[2]。
3. 复合材料夹芯结构冲击试验试验用复合材料夹芯结构由上下2层玻璃纤维复合材料面板及其中间的泡沫夹芯层组成。
上面板厚度为0.8mm，由4层复合材料单层板构成，铺层顺序为452/-452；下面板厚度为0.4mm，由2层单层板构成，铺层顺序为45/-45；夹芯层为PVC泡沫材料，泡沫夹芯层有2种不同的厚度，分别为7mm和18mm；夹芯板试件为245mm×245mm的方板。
基于LS-DYNA的电磁冲击器阀芯能量传递效率研究白威;王立华【摘要】阐述了电磁冲击器冲击时的能量转换过程,对电磁冲击器阀芯构建了有限元模型,并利用LS-DYNA软件对其冲击过程中阀芯的能量传递效率进行了研究,得出合理的结论,为以后冲击机械的设计开发和优化设计提供了可靠的依据.%This paper described the electromagnetic percussion and the energy conversion process, the impact of the electromagnetic valve device constructed finite element model. Using LS-DYNA software to its impact on the process efficiency of energy transfer spool, carried aut research and drew reasonable conclusions. The impact of the design for future development and optimization of mechanical design provided the reliable basis.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】3页(P29-31)【关键词】电磁冲击器;能量转换;有限元;能量传递效率【作者】白威;王立华【作者单位】昆明理工大学,机电工程学院,河南,昆明,650093;昆明理工大学,机电工程学院,河南,昆明,650093【正文语种】中文【中图分类】TB52.3电磁冲击器是一种利用电磁力带动阀芯产生冲击的冲击机械,可以用于旧城改造、混凝土构件的拆毁、公路路基建设和钢厂炉渣拆卸等方面[1]。
在冲击过程中能量传递效率的大小是衡量冲击机械性能好坏的重要指标。
基于LS-DYNA的大跨度弧形闸门船舶碰撞有限元分析牛文宣;胡友安;沈安磊【摘要】基于显式有限元方法,利用LS-DYNA计算平台,对大跨度弧形闸门的碰撞进行了仿真分析.分析了一大跨度弧形闸门受碰后的变形情况,得到了闸门的应力-时间曲线、应变-时间曲线、碰撞力-时间曲线以及能量曲线,为该弧形闸门的设计和制造提供了可靠的依据.%Based on explicit finite elements, using LS-DYNA program, simulation of a large-span radial gate in collision with ships is made. The stress-time curve, strain-time curve, collision force-time curve and ener gy-time curve are obtained. The study results provide a reliable basis for designing and manufacturing this type of gates.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(034)001【总页数】4页(P29-32)【关键词】Ls-DYNA;大跨度弧形闸门;碰撞;有限元仿真【作者】牛文宣;胡友安;沈安磊【作者单位】河海大学机电工程学院,江苏常州 213022;河海大学机电工程学院,江苏常州 213022;河海大学机电工程学院,江苏常州 213022【正文语种】中文【中图分类】TV663+.4近年来，随着经济的飞速发展，水路运输能力日益提高，船舶的航行数量和航行速度都在不断增加.但是，由于某些通航船舶的速度快、舵效低，闸门遭遇船舶碰撞的事故时有发生，给正常的水上航运、水工建筑物和闸门等带来了一定的安全隐患，造成经济损失，甚至人员伤亡.一大型水利工程主要功能是挡洪、排涝、蓄水、引排水，控制内江水位和水质，满足特殊船只通航和连通引航道两岸的交通要求.为此，设计了由一个40m宽中孔和7个20m宽侧孔节制闸，以及一个20m宽副孔非标准船闸.中孔大跨度弧形工作闸门跨度40 m，高8.5m，闸门底槛高程1.5m，门顶高程9.89m.闸门采用卧式液压启闭机，全水头动水启闭，为目前国内跨度最大的弧形闸门，图1为闸门的安装布置图.作为该大型水利工程中主要通航道中的闸门，为了确保其安全性能，防止闸门在通航时的碰撞损坏，必须对闸门被船体碰撞后的损坏情况进行分析仿真，为闸门的设计、制造、维护和维修提供理论参考依据.图1 大跨度弧形闸门安装布置图图2为该闸门的三维结构模型图，闸门的门体结构采用空间板梁结构，门体有面板、主梁、纵隔板以及支臂等部件组成.闸门面板所在圆弧半径为8m，面板厚为24mm，面板上设置了8根主梁和11根纵隔板，支臂采用箱型梁，各板梁翼缘厚度不超过24mm.图2 大跨度弧形闸门模型1 碰撞基本理论在研究船舶碰撞对闸门的影响时，主要分析闸门在碰撞发生后的力学性能变化，因此忽略船舶的内部结构变形即视为刚性体.由于船舶碰撞时间很短，在巨大的冲击载荷作用下碰撞区对应的部件会进入一种非线性动态响应过程，很可能超越弹性变形进入塑性变形阶段［1].1.1 碰撞问题的研究方法目前，闸门的碰撞问题的研究方法主要采用有限元数值仿真法.有限元分析方法是通过LS－DYNA软件对碰撞过程进行仿真分析，从而实现“虚拟碰撞”，可以比较真实地反映碰撞过程，得到准确的仿真结果.有限元仿真法碰撞的数学模型［2]为其中位移矢量u是时间t的函数，M、K、C分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，F（t）为荷载矢量.1.2 显式中心差分算法以及时步长控制LS－DYNA软件通过当前部件的稳定性条件控制每一时刻的时间步长，显式积分的时间步长由系统中最小尺寸单元决定，仿真计算的效率与时间步长的大小成反比，单元的尺寸越小，时间步长越小，仿真分析所需要的 CPU 时间也就越长［3，5]. 1.3 沙漏控制中心差分算法运算时采用简化积分方法，可以控制时步长，缩短计算时间，但会造成沙漏模态.沙漏模态的主要特征是产生一种在数学上稳定的，但在物理上不可能实现的状态［4].控制沙漏的数学模型相当于在式（1）中施加一个沙漏控制力以减少或避免沙漏的产生，其公式为［1]式中，H为沙漏控制力.1.4 材料模型弧形闸门受碰整个过程是非线性动态响应过程，受碰部件一般都要进入塑性流动阶段.因此，材料模型采用随动塑性材料模型，应变率用Cowper－symonds模型来考虑［4，6]，用与应变率有关的因数表示屈服应力式中，σ0为初始屈服应力；ε为应变率；C，P为Cowper－symonds应变率参数；εeffP 为有效塑性变形；EP 为塑性硬化模量，可以由下式求解式中，Etan为硬化模量.1.5 接触设置在碰撞过程中，各个接触面之间的相互作用比较复杂，可能存在不同部件之间的相互接触，甚至可能发生大变形结构自身接触现象.为了避免闸门内部各部件接触的重复定义，在闸门受碰过程中主要定义两种类型的接触：面与面的接触，闸门弧形面板为主表面，船体前部为从表面；单面接触，闸门内部的各部件间的接触均定义为单面接触，也称自接触［3].2 有限元模型的建立2.1 网格模型弧形闸门的所有部件均采用板壳单元拼接而得.薄壳单元采用四节点Belytschko－Tsay单元，BT单元适合于大位移和大转动，是一种最快速的显式动力学壳单元.将船体模型简化为刚体，可以大大缩减仿真分析的计算时间.采用h－adaptive方法进行自适应网格划分，使变化剧烈区的网格可以自我调整和细化，保证求解时准确的精度和分辨率［6].图3为闸门的有限元模型，图4中有船体的有限元模型.2.2 材料参数和边界条件BT薄壳单元中的σy 取213MPa，Cowper－symonds中的应变率参数C和P 分别取40.0和5.0［6]；弹性模量E为206GPa；另外，泊松比υ取为0.27；考虑到焊缝、加劲板等细部材料，取密度修正系数为1.2，密度ρ为9 120kg／m3. 在研究闸门碰撞时，考虑到文献［7]内河通航标准以及闸门实际运行要求，对弧形闸门的支铰施加约束，限制除转动自由度外的所有自由度，闸门下部与底槛相接.假设闸门在闭合状态遭受1 200t船舶的撞击，撞击高程：5.8m；撞击位置：闸门中部，Ⅳ号主梁与6号纵隔板相交处对应的弧形面板位置；船舶重量：1 200t；撞击速度：10m／s，相当于船舶19.4节的航速；碰撞方向：与水流方向相同.3 数值仿真结果及其分析采用显示动力学分析程序ANSYS／LS－DYNA仿真模拟整个碰撞过程.利用LS－PROPOST对结果进行后处理，可以详细了解整个碰撞过程.3.1 弧形闸门碰撞的应力－时间曲线和应变－时间曲线图5为碰撞应力云图，由图可知，主梁与纵隔板的应力值分布在588.9～786.2MPa之间，最大值为982.4MPa，位置发生在6号纵隔板中部，远远超过了钢材的许用应力；碰撞位置上的弧形面板受撞击的应力值分布在197.5～588.9MPa之间.图5 碰撞应力云图（单位：Pa）结合图6碰撞处弧形面板的应力－时间变化曲线可知，闸门碰撞应力在0.475s时达到最大.弧形面板的应力最大值为547.9MPa.然后闸门回弹，应力逐渐减少，说明闸门部分部件还处于弹性变形阶段，未发生弹性变形的部件发生回弹，也会造成碰撞处的应力值波动，其最终应力值大约在270MPa附近，已经超过了钢材的允许应力值213MPa（钢材的安全系数为1.1）.图6 碰撞处弧形面板的应力－时间曲线图7为碰撞位移云图.由图可知，碰撞处部件位移变形较大；闸门闭合时下部与底槛相接，因此，闸门的上部变形大于闸门的下部变形；由于闸门跨度较大，中部变形高于两边.图7中，闸门各部分的变形与实际设想一致，仿真结果正确.图8是应变－时间曲线，由图可知，闸门碰撞处的应变值在0.475s后基本不再发生变化，说明0.475s时弧形闸门碰撞处的塑性应变最大，其值为0.065 1m.结合图6应力－时间曲线可知，在碰撞结束后，碰撞处部件已经发生了塑性变形，部件的塑性变形数值不发生变化.当材料处于塑性变形阶段时，无法用虎克定律进行解释，因此，闸门的应力－时间曲线和塑性应变－时间曲线在碰撞结束后形状不同.3.2 弧形闸门的碰撞力曲线弧形闸门发生碰撞时，确定碰撞力的大小对弧形闸门的分析和研究有很重要的作用，图9为碰撞力－时间曲线，分别列出了船体与弧形面板的接触面上x、y和z方向以及总的碰撞力曲线，以便对闸门的碰撞力与时间的变化关系进行说明.x方向为水流方向，取水流方向为负向；z方向为平行闸门方向；y方向为竖直方向，以向下为负向.图中显示x方向的最大碰撞力为25.5×106 N，方向与水流方向相同；y方向，即竖直方向的最大碰撞力为17.5×106 N，方向向下；z方向，即平行闸门方向的碰撞力有3个峰值，分别为0.394×106 N、－0.417×106 N和－0.5003×106 N.x方向为船体的运动方向，相比其他两个方向，对闸门的撞击力主要来自这个方向，因此，弧形闸门x方向的力略高于y方向，远高于z方向的撞击力.由图9（d）总撞击力图可知，在0.475s时，闸门碰撞合力最大，其值为31.0×106 N.图9 船体与弧形面板接触面的碰撞力－时间曲线3.3 弧形闸门的碰撞能量时间曲线图10为弧形闸门的碰撞能量－时间曲线，在碰撞过程中，部件所增加的内能主要为塑性变形能，通过曲线可知，船的总能量为60 500kJ，在0.1s时发生碰撞，动能急速下降，闸门的塑性变形能迅速上升，大约在0.475s时，碰撞完成，闸门的塑性变形能达到最大值，动能降到最小值，随后由于闸门部分部件回弹内能略有降低，最终达到了55 793kJ，而动能下降至3 608kJ，沙漏能为1 113kJ，其中沙漏能的值小于总塑性变形能的5%，模拟结果正确［2].图10 弧形闸门碰撞能量－时间曲线图11为闸门各部件能量－时间曲线，通过图11中的曲线可以知道，闸门的纵隔板、主梁以及弧形面板的塑性变形能增加较多，远高于闸门其他部件的变形.其中，主梁的变形最大，其塑性变形能已达到了24 782kJ，其次是弧形面板，其塑性变形能为21 764 kJ，纵隔板的塑性变形能为8 030kJ.根据各个能量的变化数值，主梁的变形较大，吸收动能较多，占总塑性变形能的44.4%；弧形面板吸收能量仅次于主梁，占总塑性变形能的39%；纵隔板的变形相比前二者较小，占总变形能的14.4%.图11 弧形闸门各部件能量－时间曲线4 结论基于显式有限元方法，利用ANSYS／LS－DYNA对船体碰撞弧形闸门进行了仿真分析，得到了弧形闸门受碰的应力、应变曲线和撞击力、能量曲线.从曲线可知，仿真过程基本真实反映了闸门受碰时可能出现的破坏情况，并根据碰撞力曲线和碰撞能量曲线对闸门所受到的碰撞力以及各部件的变形程度进行了分析.闸门的受碰问题要引起重视，在碰撞过程中，碰撞的能量主要被闸门的主梁、弧形面板和纵隔板吸收，三者均产生了较大的变形，在碰撞点处，均存在较大的应力值，远高于材料的许用应力，建议对大跨度低水头弧形闸门设置防撞区，防撞区采用加厚钢板以确保闸门的安全运行［8].参考文献：［1]王自力.船舶碰撞损伤机理与结构耐撞性研究［D].上海：上海交通大学，2000. ［2]胡友安，王孟.水工钢闸门数值模拟与工程实践［M].北京：中国水利水电出版社，2010：12.［3]何涛，杨竞，金鑫.ANSYS10.0／LS－DYNA 非线性有限元实例指导教程［M].北京：机械工业出版社，2007.［4]殷华涛，张海，田翠翠.船舶撞击桥墩防撞钢套箱有限元数值模拟分析［J].北方交通.2009，12：33－36.［5]时党勇，李裕春，张胜民.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1进行显示动力分析［M].北京：清华大学出版社，2005.［6]王政平，施泉，李林友.船舶－船闸钢闸门碰撞的非线性数值仿真［J].中国科技论文在线，2007（9）：1－5.［7]中华人民共和国交通部.GB50139－2004.内河航道通航标准［S].北京：中国计划出版社，2004.［8]孙成智，曹广军，王光耀.为提高低速碰撞性能的汽车保险杠吸能盒结构优化［J].汽车工程，2010，12：1093－1101.。
高速电磁斥力机构的基本原理与仿真分析安德红;江壮贤【摘要】混合型限流断路器是现代直流电力系统有效的短路保护设备,其中用于驱动高速限流断路器机械触头高速分闸的电磁斥力机构性能决定了混合型限流断路器的限流水平及分断的可靠性.分析了电磁斥力机构的工作原理,通过理论推导得到了电磁斥力的解析表达式,在此基础上得到其运动方程.介绍了电磁斥力机构的瞬态场有限元仿真方法,建立了1000 V/400 A样机的仿真模型,样机试验结果验证了理论分析与仿真计算的正确性,为电磁斥力机构的进一步优化设计打下坚实基础.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)008【总页数】4页(P1-4)【关键词】高速机械触头;电磁斥力机构;有限元仿真;混合型限流断路器【作者】安德红;江壮贤【作者单位】92118部队,浙江舟山31600;海军工程大学电气工程学院,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TM561近年来一种具备机械开关大通流能力和电力半导体开关快速、无弧分断特性的混合型限流断路器在直流短路电流的限流分断方面表面出优异的性能和潜力，成为直流断路器发展的一个新方向[1]。
混合型限流断路器一般由高速机械开关和电力半导体开关并联组成，正常工作时电流从机械开关上流过，由于机械开关的接触电阻小，通流损耗低，因而通流容量大。
而当电路需要分断或出现短路故障时，机械开关迅速打开，电流从机械开关转移至电力半导体开关支路，由功率半导体完成电流的无弧分断。
由于功率半导体的动作速度快，可以在短时间内分断短路电流，因而如何提高触头机构的反应速度使其在接到分断信号后尽快使机械开关分离将电流转移至半导体支路，以及如何提高机械开关在分离初期的运动速度使开关在半导体支路关断短路电流时有足够的空气间隙承受关断过电压的冲击，成为混合型限流断路器高速机械触头机构研制的关键。
为了达到快速反应、高速运动的目的，机械开关触头一般采用高速电磁斥力机构驱动。
基于ANSYS/LS-DYNA 的聚能射流仿真作者：杨腾来源：《科技创新与生产力》 2014年第12期杨腾（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）摘要：采用ANSYS/LS-DYNA进行了前处理建模，分析了聚能射流药型罩的材料属性，对网格进行了划分，加载了约束和初始条件定义，并对求解参数进行了设置，通过LS-DYNA输出K文件的生成和修改，对结果进行后处理，得出了聚能射流仿真的结果。
关键词：ANSYS/LS-DYNA；聚能射流；仿真中图分类号：TJ06 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.12.041收稿日期：２０14－08－20；修回日期：２０14－11－20作者简介：杨腾（1987-），男，山西五台人，在读硕士，主要从事弹载电磁脉冲技术研究，E-mail：616292598@。
ANSYS/LS-DYNA是功能齐全的几何非线性、材料非线性程序。
它以Lagrange算法和显式求解为主，以结构分析和非线性动力分析为主，是一款军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。
笔者主要通过它来进行聚能射流的仿真研究。
1 药型罩的初始建模1.1 启动ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件计算机中安装完成ANSYS12.1后，在所有程序中找到Mechanical APDL Product Launcher快捷方式，双击后弹出ANSYS12.1主界面，在Simulation Environment下拉菜单中选择ANSYS，在License下拉菜单中选择ANSYS/LS-DYNA模块；在右上角Add-on Modules下勾选LS-DYNA（-DYN），设置自己的工作路径和工作名，需要注意的是工作路径和工作名不能出现中文路径。
1.2 设置Preference选项选择Main Menu>Preference命令，在弹出的Preferences for GUI Filtering对话框中激活Structural LS-DYNA Explicit 按钮。
基于Maxwell的交流接触器动态特性分析袁学兵;欧阳振国;曹永【摘要】提出一种结合Ansys Electronics的Circuit模块和Maxwell 3D瞬态仿真模块的方法,对一款双E型交流接触器进行动态特性分析。
利用Circuit模块建立交流接触器的外加激励电路,再利用Maxwell建立交流接触器的三维有限元模型,计算了交流接触器不同合闸相角与不同吸合电压下的电流特性、时间特性、末速度特性。
最后,利用试验测试对仿真结果进行对比验证,仿真误差小于10%。
所提仿真方法能为交流接触器优化设计提供理论支持。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2017(000)022【总页数】5页(P17-21)【关键词】交流接触器 Circuit Maxwell 动态特性【作者】袁学兵;欧阳振国;曹永【作者单位】厦门宏发开关设备有限公司,福建厦门361021;厦门宏发开关设备有限公司,福建厦门361021;厦门宏发开关设备有限公司,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TM572.2接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的自动控制电器[1]。
随着新能源、电动汽车、工业自动化等行业的不断发展,接触器的使用量日渐增长,对接触器的要求也越来越高。
接触器运动过程的动态特性分析在产品研发过程中起着关键作用,快速而准确计算其动态特性意义重大。
近年来,接触器运动过程的仿真计算取得了快速的发展,早期的接触器仿真大部分采用二维有限元静态特性仿真和三维有限元静态特性仿真[2-4]。
近年来得益于计算机的发展,进行三维有限元动态特性分析的研究增多。
文献[5]利用Maxwell有限元软件的瞬态模块对双E型交流接触器的动态特性进行了分析。
文献[6-9]通过对多体动力学分析软件ADAMS的二次开发,将机械运动方程、电磁场及电路方程进行耦合迭代求解,对接触器进行了动态特性研究。
文献[10-11]通过对交流接触器进行电、磁、机械方程的耦合求解,并运用Ansys/LS-DYNA有限元分析软件建立交流接触器三维全仿真动态模型,分析了接触器的动态特性及触头弹跳影响因素。
