[发明专利]一种考虑结构热场作用的接触器弹跳特性计算方法

摘要

本发明公开了一种考虑热场作用的接触器弹跳特性计算方法，所述方法首先建立接触器的热场数学模型、电磁特性数学模型、振动碰撞力学模型；然后建立接触器的热场有限元模型、电磁有限元模型及振动碰撞动力学数值模型；将接触器的热场有限元模型、电磁有限元模型及振动碰撞动力学数值模型分别命名为热场模块、电磁模块、振动碰撞模块，依据电‑磁、电‑磁‑热、电‑磁‑结构场间的作用关系数据交互方式，在MATLAB/Simulink中进行模块连接；最后依据电‑磁‑热‑结构多物理场模型计算出接触器的弹跳特性。本发明对完善接触器弹跳模型建立、深入开展接触器多物理场耦合计算及弹跳机理研究具有关键意义。

主权项

1.一种考虑结构热场作用的接触器弹跳特性计算方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、建立热场模块，具体步骤如下：第一步、模型简化：建立2D接触器的热场模型；第二步、边界条件：接触器电磁结构瞬态热场分布：式中，ρ表示材料的密度；c表示材料的比热容；x，y，z分别代表三个不同的方向；K_x、K_y、K_z分别表示材料各个方向上的热导率；T表示温度；q表示发热功率；n_v表示边界面上的法向量；S₁表示边界面；v(x,y,z)表示边界面上热流密度；α_h表示综合考虑对流、辐射得出的表面散热系数；T₀表示室温；K_t表示材料的热导率；T_t0表示初始时刻的温度；t表示时间；对流传热系数：式中：Nu为平均努塞尔数；C和n_c为常系数，其值由流体的流动状态及表面形状确定；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；g为重力加速度；α_v表示体积膨胀系数；ΔT表示边界面温度差；H为特征尺寸；v_m为流体的运动粘度；h为对流传热系数；λ为气体的热导率；辐射散热：式中Φ为热流量；ε材料发射率；A为散热面积；σ_h为黑体辐射常数；第三步、热场有限元模型建立：依据式(1)～(3)在有限元软件FLUX中确定接触器热场模型边界条件；同时，将线圈、衔铁、轭铁、磁壳结构温度作为接触器热场有限元模型的输出，线圈电阻及线圈电流作为接触器热场有限元模型的输入；第四步、生成热场模块：利用FLUX生成其热场模块th.FLU和.F2MS文件；步骤二、建立电磁模块，具体步骤如下：第一步、参数设定：将线圈电阻R、线圈磁链和衔铁电磁吸力F(i,y₁,T)设为随温度变化的量；第二步、模型简化：忽略接触器结构中的不导磁部分、小倒角、小圆角；第三步、边界条件：将边界条件设为无穷大的磁各向异性零点，通过电压平衡方程耦合达郎贝尔运动方程实现接触器电磁特性的求解如下：式中，u为接触器线圈电压；i为接触器线圈电流；R为接触器线圈电阻；为接触器线圈磁链；y₁为衔铁运动位移；F(i,y₁,T)为衔铁电磁吸力；v为衔铁运动速度；F_f(y₁)为系统反力；第四步、电磁有限元模型建立：根据第三步中的边界条件和式(4)在有限元软件FLUX中确定接触器电磁模型边界条件并求解；同时，将线圈电阻、线圈电流及电磁吸力作为接触器电磁有限元模型的输出，机械反力作为接触器电磁有限元模型的输入；第五步、生成电磁模块：利用FLUX生成其电磁模块em.FLU和em.F2MS文件；步骤三、建立振动碰撞模块，具体步骤如下：第一步、参数设定：将接触器衔铁和连杆等效为集中质量M₁，动触头质量M₂，动触头位移y₂，开距y_d，行程y_x，返回弹簧和超程刚度分别为k₁和k₂，返回弹簧和超程弹簧阻尼系数分别为c₁和c₂，利用等效接触刚度描述动触头和静触头、衔铁与轭铁的可分合接触状态，规定接触器竖直向上的方向为正方向；第二步、模型等效：(1)当0<y₁≤y_d时，衔铁和动触头同时向上运动，构成两自由度运动系统，其运动微分方程表示为：其中：F_1c和F_2c分别表示作用在衔铁和动触头上的受迫合力，其表示为：式中：F_d，F_f和F_c分别表示动触头与挡圈之间的接触力、返回弹簧预压力以及超程弹簧预压力；F_i2为动触头和静触头之间的碰撞力，则F_i2的表达式写为：上式中，c_i2和k_i2分别为动静触头间的接触阻尼系数和接触刚度；δ为碰撞物体间的相对渗透深度；n为力的指数；(2)当y_d<y₁≤y_x时，动触头和静触头闭合，动触头不再运动，振动系统由0<y₁≤y_d时的两自由度运动系统退化为单自由度系统，此时衔铁的运动微分方程写为：其中：F_3c为作用在衔铁上的受迫合力，其表示为：F_3c＝F_i1+F_f+F_c+F(i,y₁,T)    (9)；式中：F_i1为衔铁与轭铁间的碰撞力，表示为：式(9)中，c_i1为衔铁和轭铁间的等效接触阻尼系数，k_i1为等效接触刚度；第三步、建立振动碰撞数值模型，具体步骤如下：根据第二步中的(5)～(10)步中的分段线性微分运动方程结合弹簧阻尼碰撞接触方程在机械动力学软件ADAMS中建立接触器振动碰撞力学数值模型；同时，将机械反力作为振动碰撞数值模型的输出，电磁吸力作为振动碰撞数值模型的输入；第四步、生成振动碰撞模块：利用ADAMS生成其振动碰撞模块zp.m文件；步骤四、生成电‑磁‑热‑结构多物理场耦合模块，具体步骤如下：将热场模块、电磁模块、振动碰撞模块作为电‑磁‑热‑结构多物理场模块的子模块，依据电‑磁、电‑磁‑热、电‑磁‑结构场间数据交互关系在MATLAB/Simulink中进行模块连接，得到电‑磁‑热‑结构多物理场耦合模块；步骤五、电‑磁‑热‑结构多物理场耦合模块计算，具体步骤如下：通过龙格库塔法迭代求解接触器动态特性，变化接触器工作温度及工作状态从而实现分析结构热场作用对接触器弹跳特性的影响。