磁保持继电器多体系统非线性动力学研究

摘要

磁保持继电器作为智能电表的核心部件之一，耗能低、体积小，具有较高的可靠性、安全性等优点，可以实现对电源的智能切换，越来越成为众多继电器厂商热衷的选择，也是电力公司关注的焦点。根据力学理论与非线性有限元方法，采用三维建模软件Pro/ENGINEER以及有限元分析软件ABAQUS建立了磁保持继电器刚柔结合的多体系统模型，从静力学、动力学两个角度分析与计算多体系统模型，结合测试装置对仿真结果进行了进一步的验证，最终讨论了几何参数对主要部件的力学性能的影响。 首先通过三坐标测量仪对各个零件的尺寸进行精确的测量，运用软件Pro/ENGINEER建立磁保持继电器各零件的三维实体模型，在不影响仿真计算结果的前提下，对模型特征进行了适当的简化和忽略处理。 其次对磁保持继电器触头系统进行静力学分析，将Pro/E建立的三维实体模型导入到ABAQUS中生成部件，对有限元分析中材料属性的定义、单元类型的选取、网格划分的技术、边界条件的定义、整体有限元模型的建立等数值模拟技术进行了深入研究，通过添加绑定约束解决了仿真分析中无法达到收敛的问题。研究磁保持继电器触头系统中弹片、簧片的反力特性，对比有限元分析及试验测试的结果，验证仿真的可靠性与正确性。 然后从动力学角度对磁保持继电器刚柔结合的多体系统进行分析，补充触头系统的其它部件以及推动片并进行装配，根据实际运动和受力的情况，对模型进行约束条件、载荷以及边界条件的定义，设置运动分析过程，在ABAQUS中完善整体模型。对主要部件进行了结构模态分析，得到了所研究部件的频率和振型，同时采用显示动力学有限元方法，分析磁保持继电器分断过程中位移和速度特性。 最后在以上仿真得到的各项数据基础上进行分析总结，利用最大应变能作为弹片、分流片衡量驱动能力的参数指标，研究几何参数对其刚度和驱动能力的影响，并采用正交试验法确定影响分流片刚度的最大因素。 此研究为磁保持继电器的改进设计以及新产品的开发提供了参考依据，对开发高性能的磁保持继电器具有重要的意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 低压电器的发展概况

1.3 磁保持继电器的国内外研究现状及发展趋势

1.3.1 磁保持继电器的研究现状

1.3.2 动态特性仿真的研究现状

1.4 有限元分析方法

1.4.1 有限元分析方法简介

1.4.2 有限元分析中的问题与挑战

1.4.3 有限元分析中ABAQUS软件的应用

1.5 本论文主要研究内容

第二章 磁保持继电器多体系统三维实体模型的建立

2.1 概述

2.1.1 研究对象

2.1.2 磁保持继电器的工作原理

2.2 利用三坐标测量仪测量各零件尺寸

2.3 基于Pro/ENGINEER磁保持继电器三维实体模型的建立

2.3.1 Pro/ENGINEER软件简介

2.3.2 触头系统各零件三维实体模型的建立

2.3 本章小结

第三章 磁保持继电器多体系统静力学仿真

3.1 ABAQUS软件简介

3.1.1 ABAQUS软件

3.1.2 ABAQUS设计流程

3.2 基于ABAQUS建立磁保持继电器多体系统静力学模型

3.2.1 ABAQUS参数设置

3.2.2 将Pro/E中的零件导入到ABAQUS

3.2.3 对模型定义约束

3.2.4 对模型定义载荷和边界条件

3.2.5 对模型进行网格划分

3.3 柔体部件模型的修正

3.4 反力特性的测试

(1) 试验装置

(2) 试验结果

3.5 柔体部件仿真结果验证及其分析

(1)弹片仿真分析

(2)簧片仿真分析

(3)误差原因分析

3.6 本章小结

第四章 磁保持继电器多体系统动力学仿真

4.1 非线性有限元动力学基本理论

4.1.1 动力学有限元模型的离散方程

4.1.2 非线性有限元动力学方程求解方法

4.2 基于ABAQUS建立磁保持继电器多体系统动力学模型

4.2.1 模型的导入与简化

4.2.2 对模型定义约束、载荷以及边界条件

4.2.3 对模型设置分析步

4.3 磁保持继电器动态响应分析

4.3.1 簧片组件及弹片的模态分析

4.3.2 磁保持继电器不同时刻的运动状态

4.3.3 动力学求解计算及结果分析

4.4 本章小结

第五章 几何参数对弹片、分流片力学性能的影响

5.1 几何参数对弹片力学性能的影响

5.1.1 折弯角度对弹片力学性能的影响

5.1.2 厚度对弹片力学性能的影响

5.2 几何参数对分流片力学性能的影响

5.2.1 截面圆弧半径对分流片力学性能的影响

5.2.2 截面圆弧圆心位置对分流片力学性能的影响

5.2.3 厚度对分流片力学性能的影响

5.2.4 分流片正交试验法优化设计

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢