【IBE】基于ANSYSWORKBENCH有限元法的ATSE接觸系統(tǒng)電動力計算

2016-10-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在ATSE短時耐受沖擊電流試驗(yàn)中,動、靜觸頭是否因電動力的作用而斥開是考核ATSE安全性和穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)準(zhǔn),因此通過有限元仿真方法準(zhǔn)確計算出ATSE觸頭間電動斥力是研究的主要目的。首先通過ANSYSWORKBENCH軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計算出觸頭之間的接觸壓力和接觸半徑,然后建立觸頭電接觸有限元仿真模型,進(jìn)而用ANSYSWORKBENCH軟件進(jìn)行電流場和電磁場分析,計算出接觸系統(tǒng)的電流密度分布和電動斥力。結(jié)果表明有限元仿真結(jié)果與公式法計算結(jié)果十分接近,從而證明了有限元仿真方法在計算ATSE觸頭間電動斥力方面的準(zhǔn)確性。

0 引言

當(dāng)ATSE觸頭接觸區(qū)域通過電流時,由于動、靜觸頭的實(shí)際接觸面積很小,電流線會在接觸區(qū)域附近產(chǎn)生收縮,使動、靜觸頭間通過的電流反向,磁場強(qiáng)度方向相同且大小相互累加,動、靜觸頭在該磁場的作用下產(chǎn)生相互推斥作用的磁場力,即HOLM力[1]。動、靜觸頭間通過額定電流時產(chǎn)生的電動斥力較小,觸頭不會被斥開,但現(xiàn)行ATSE國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14048.11-2008中要求抗短時耐受沖擊電流的能力為額定電流的20倍,若觸頭壓力和接觸面積設(shè)計不合理,當(dāng)進(jìn)行短時耐受沖擊電流實(shí)驗(yàn)時,電流線密度和空間磁場強(qiáng)度會在觸頭接觸區(qū)域迅速增加,此時感應(yīng)出的電動斥力比較大,有可能使閉合的觸頭系統(tǒng)斥開,導(dǎo)致燃弧并燒毀觸頭的嚴(yán)重后果,因此準(zhǔn)確地計算出觸頭電動斥力對ATSE電器的安全性和穩(wěn)定性有非常重要的意義。

1 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文分析的ATSE觸頭系統(tǒng)額定電流為630A,短時耐受沖擊電流Icw值取20kA,由4個觸頭組并聯(lián),分配到每個觸頭的電流值為5kA。因?yàn)槊恳粋€觸頭所受的壓力相等,所以為了節(jié)省計算資源,只取一個觸頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,簡化后的觸頭結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,定位桿與動觸頭導(dǎo)電桿前后兩處通過軸槽連接,動觸頭導(dǎo)電桿可以在定位桿的槽內(nèi)滑動,它們之間通過壓縮彈簧連接,ATSE通過傳動機(jī)構(gòu)帶動定位桿壓迫彈簧將動觸頭導(dǎo)電桿和動觸頭壓在靜觸頭和本體導(dǎo)電桿上,因此觸頭壓力大小由定位桿和動觸頭導(dǎo)電桿之間的壓縮彈簧決定。

本文結(jié)構(gòu)模型由creo 3.0軟件所建,將模型導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH軟件的StaticStructural (靜態(tài)結(jié)構(gòu))模塊中進(jìn)行分析,為方便計算,分別將動觸頭與動觸頭導(dǎo)電桿、靜觸頭與靜觸頭導(dǎo)電桿合并,給所有部件賦予Copper Alloy(銅合金)材料屬性,將動觸頭與靜觸頭、動觸頭導(dǎo)電桿與本體導(dǎo)電桿的接觸方式定義為Rough(粗糙),即只允許分離,不允許滑動和滲透,在定位桿和動觸頭導(dǎo)電桿之間建立Spring(彈簧)連接方式,彈簧參數(shù)Longitudinal Stiffness(剛度系數(shù))設(shè)置為14N/mm, Preload(預(yù)載荷)設(shè)置為Free Length(自有長度)10.5mm,將本體導(dǎo)電桿、定位桿、靜觸頭設(shè)定為Fixed Support(固定支撐約束),默認(rèn)方式自由劃分好網(wǎng)格即可,求解結(jié)果設(shè)置為動觸頭的Force Reaction(反作用力),運(yùn)行求解得到垂直觸頭向上的力即為觸頭壓力(50N)。

注:1.本體導(dǎo)電桿 2.定位桿 3.動觸頭導(dǎo)電桿 4.動觸頭 5.靜觸頭 6.靜觸頭導(dǎo)電桿

圖1 簡化后的觸頭結(jié)構(gòu)模型

2 接觸系統(tǒng)電磁分析

2.1 構(gòu)建仿真模型

HOLM力只在動、靜觸頭接觸的過程中存在,觸頭實(shí)際接觸表面凸凹不平,接觸斑點(diǎn)形狀各異且無規(guī)則離散分布。實(shí)際上,動靜觸頭導(dǎo)電斑點(diǎn)的形狀在每次接觸時都可能不同,因此只能將導(dǎo)電斑點(diǎn)假設(shè)為理想體來估算HOLM力,所以在建模計算時不必過于關(guān)注導(dǎo)電斑點(diǎn)的形狀。本文按照觸頭接觸導(dǎo)電斑點(diǎn)的形狀為長方體來計算HOLM力,假設(shè)各只有一個導(dǎo)電斑點(diǎn)存在于動、靜觸頭的接觸表面內(nèi),即動、靜觸頭的所有導(dǎo)電斑點(diǎn)都分別集中在其中心位置處,從而形成一個較大的長方體導(dǎo)電橋模型。

當(dāng)按照圓柱形導(dǎo)電斑點(diǎn)計算HOLM力時,圓柱形導(dǎo)體的截面半徑b用式(1)計算。

(1)

式中,P為動、靜觸頭間的接觸壓力,N;H為觸頭材料的硬度,取105HB;ζ為接觸系數(shù),取0.5。

將結(jié)構(gòu)分析中計算求得的壓力50N代入式(1)中求出接觸半徑b為0.550 7mm,再根據(jù)面積相等原理Πb2=WL(W、L分別為長方體導(dǎo)電橋截面的寬和長,本文L即為動觸頭的寬6mm),可求得W≈0.16mm。本文經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)長方體的寬W和長L不變時,其高度h為0.1~0.2mm,對計算結(jié)果的影響很小。因此,在本次仿真分析中,靜觸頭導(dǎo)電長方體導(dǎo)電橋高度h取0.1mm,由于動觸頭接觸面為弧形面,所以其導(dǎo)電橋?yàn)榻崎L方體,高度取0.1~0.15mm,動、靜觸頭導(dǎo)電橋接觸面之間留0.05mm的間隙以避免仿真計算時相互干涉。由于HOLM力主要因動、靜觸頭接觸區(qū)域電流收縮而產(chǎn)生,而本文分析的動、靜觸頭導(dǎo)電桿設(shè)計在觸頭接觸區(qū)域中心兩側(cè),所以導(dǎo)電桿的洛倫茲力可忽略,只創(chuàng)建動、靜觸頭接觸模型即可,用creo3.0軟件創(chuàng)建后的觸頭接觸模型如圖2所示。

圖2 觸頭接觸模型

2.2接觸系統(tǒng)電磁場分析

將上節(jié)所建模型導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH軟件的Maxwell 3D Design模塊中,首先對接觸系統(tǒng)進(jìn)行電流傳導(dǎo)分析,求解類型選擇為Electricstatic(靜態(tài)電場),所有部件賦予Copper(銅)材料屬性,分別在動、靜觸頭長方體導(dǎo)電橋電流流向的垂直方向創(chuàng)建橫截面,分別在各個橫截面上施加方向相同、大小為5 000A的電流,采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分,分析結(jié)果設(shè)置為Total CurrentDensity(總電流密度),求解后所得電流密度矢量分布如圖3所示,由圖3可以看出觸頭接觸區(qū)域有強(qiáng)烈的電流線收縮。

圖3 電流密度矢量分布圖

其次,對接觸系統(tǒng)進(jìn)行電磁力仿真計算,求解類型選擇為Magnetostatic(靜態(tài)磁場),分別選中各個動觸頭,然后執(zhí)行Maxwell 3D—Parameters—Assign—Force,Force的類型選擇為Lorentz(洛倫茲力),就可以設(shè)置好要分析的動觸頭電磁力,然后運(yùn)行求解,求解完成后,執(zhí)行Maxwell 3D—Results—Solution data—Force,就可以查看計算結(jié)果Z向的電磁力,即為HOLM力,動觸頭1~4的電磁力分別為5.41N、4.72N、3.79N、5.31N。

2.3仿真結(jié)果與公式法計算結(jié)果的比較

根據(jù)2.1節(jié)計算的接觸點(diǎn)半徑b=0.550 7mm,又已知觸頭可視接觸面積W×L=6×12=72mm2,根據(jù)面積相等換算成可視接觸半徑B=4.8mm,真空磁導(dǎo)率U0=4π×10-7,短時耐受電流I=5 000A, HOLM力計算公式見式(2),可解得Fd=5.4N。

(2)

將此計算結(jié)果與2.2節(jié)中有限元分析軟件計算的電磁力進(jìn)行比較,可見兩種方法計算結(jié)果十分接近,都遠(yuǎn)小于觸頭接觸壓力50N,證明接觸系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到現(xiàn)行ATSE國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14048.11-2008中要求的抗短時耐受沖擊電流的能力,也證明了有限元仿真計算方法的準(zhǔn)確性,而且有限元仿真計算可以輕易實(shí)現(xiàn)對多級并聯(lián)觸頭的各個不同位置的觸頭電磁力進(jìn)行分析,考慮了觸頭所在不同位置處的磁場不同對各級觸頭電磁力的影響,所以仿真分析對ATSE接觸系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

本文利用ANSYSWORKBENCH軟件作為有限元仿真工具,對ATSE接觸系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和電磁場分析,并將仿真分析結(jié)果與傳統(tǒng)的公式法計算結(jié)果進(jìn)行了比較,兩種計算結(jié)果十分接近,證明有限元仿真法計算接觸系統(tǒng)HOLM力的準(zhǔn)確性,從而為ATSE接觸系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

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