基于瞬态冲击的高温阀开关组件结构设计

时间：2024-07-28

时宏森，高鑫，毛海龙，蔡大静，陈强(.贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳 55008；.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州贵阳 55008)

0 引言

动力学通用运动方程为：

求解通用运动方程有两种主要方法，即模态叠加法和直接积分法。其中模态叠加法是确定结构的固有频率和模态乘以正则化坐标，然后加起来计算位节点的位移解。这种方法可以用来进行瞬态和谐响应分析。直接积分法是直接求解运动方程。对于谐响应分析，由于载荷与响应都假设是谐函数，所以运动方程式力的频率函数，不是以时间函数的形式来写出并求解的，至于瞬态分析，运动方程保持为时间的函数，这可通过显式或隐式方法进行求解，其中隐式求解方法的特点是：

·要求矩阵求逆；

·非线性要求平衡迭代；

·积分时间步长Δt可以很大，但由于收敛问题而受到限制。

除了Δt要求很小的情况外，隐式积分法对大多数问题都是有效的。

某飞行器高温阀产品局部结构如图1所示，工作时开关组件随整机一起承受振动、冲击等力学环境载荷。电磁铁非工作状态下衔铁在轴向可自由移动，由于其自身的重量，在振动、冲击等力学环境作用下会对开关簧片及弹簧系统产生轴向的作用力，理想情况下该作用力将与簧片及弹簧的反作用力达到平衡，使得：

图1 高温阀组件(局部视图)

1)簧片处于材料线弹性范围而不产生残余变形，不丧失其弹性回复力；

2)弹簧处于正常伸缩范围而不压并；

3)开关触头不碰击盖子端面，簧片变形自由。

可见，要达到以上目的，实现高温阀开关组件的预定功能，结构设计比较复杂，这其中涉及到簧片及弹簧的材料选择，结构尺寸的优化设计，包括开关触头离盖子端面的轴向距离等，这些因素最终都会影响到簧片及弹簧系统的结构刚度。本文运用ANSYS Workbench软件，采用直接积分法，对高温阀开关系统进行结构瞬态冲击动力学仿真分析，结合产品轴向空间尺寸限制，确定合理的结构设计尺寸。

1 开关组件瞬态冲击有限元仿真

1.1 开关组件有限元模型的建立

按照分析模型的受力特点，本文采用ANSYS Workbench瞬态动力学分析模块进行瞬态冲击仿真。高温阀开关组件计算模型如图2所示，有限元网格模型如图3所示。

图2 开关组件计算模型图3 开关组件网格模型

簧片、衔铁、盖子按真实尺寸建模；弹簧采用ANSYS Workbench中的连接元件spring；安装螺钉采用ANSYS Workbench中的连接元件beam；另外，为了节省计算资源，抓住问题的主要矛盾，衔铁和盖子的有限元模型设置为“刚体”，只考虑其刚体行为，不考虑其变形和应力，从而大大减少计算量。

衔铁和簧片冲击过程中存在接触摩擦，因此在衔铁端面与盖子接触部分会生成刚体面网格。

1.2 开关组件材料参数设置

簧片：材料选用铍青铜，铍青铜材料力学性能参数如表1所示。

表1 铍青铜材料的力学性能参数

弹簧：刚度5.2 N/mm。

衔铁：通过调整其模型密度，使其重量达到实际重量140 g。

1.3 冲击边界条件设置

按照产品任务书要求的冲击量级，折合衔铁初始轴向速度2.33 m/s。

1.4 瞬态冲击有限元仿真结果

1)冲击过程中簧片的变形分布结果

在冲击载荷作用下，衔铁压缩极限距离如图4所示。可见，衔铁压缩极限距离为8.7533 mm，时间发生在0.0046 s。该计算结果表明，盖子与触头之间的轴向距离在装配静止状态应大于8.7533 mm，在冲击过程中，触头才不会碰击盖子端面，保证簧片的自由变形。

另外，从图4可见，冲击过程的位移分布呈周期性变化，与冲击响应实际情况比较吻合。

图4 衔铁压缩极限距离计算结果

2)冲击过程中簧片的应力分布结果

在冲击载荷作用下，簧片受到衔铁压缩，将产生变形与内力，以抵抗衔铁的冲击作用力。在冲击过程中，簧片的最大应力分布如图5所示。由于缺乏材料的塑性应力-应变曲线，本次分析材料模型采用铍青铜材料的线弹性模型，没有考虑材料的塑性变形，所以冲击过程中，铍青铜的最大应力达到1042 MPa，超过材料的强度极限635 MPa，材料将产生局部塑性变形。

图5 簧片在冲击过程中最大应力分布

另外，从仿真计算结果可见，冲击过程的应力响应也呈周期性变化，与结构实际受力情况比较吻合。