3.1.1  动态应力应变的计算方法

3.1.1 动态应力应变的计算方法

断路器操作机构的疲劳问题主要是由闭合与分断过程中的动态应力应变引起，因此对断路器操作机构疲劳寿命评估的前提是分合闸过程中零部件动态应力应变的准确计算。动态应力应变的计算基于柔性体的瞬态动力学分析，瞬态动力学分析是用于确定结构在承受任意随时间变化的载荷时的动力学响应的一种方法。

瞬态动力学的基本运动方程：

式中 [M]——质量矩阵；

[C]——阻尼矩阵；

[K]——刚度矩阵；

{u}——节点位移矢量；

——节点速度矢量；

——节点加速度矢量。

在任意时刻t，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。

常用的瞬态动力学求解方法包括：完全法、缩减法、模态叠加法，本章中柔性体应力应变的计算使用模态叠加法。模态叠加法是通过对模态分析得到的振型乘上因子并线性叠加来计算结构的响应，在有限元计算中，它比完全法和缩减法更快，开销更小。

传统的ANSYS软件和ADAMS软件刚柔耦合混合动力学仿真分析流程如图3-1a所示，其使用ADAMS软件基于模态叠加法计算柔性体的动态应力应变。同时ADAMS软件提供了软件接口，可以将柔性体受到的载荷（*.LOD文件）输出到ANSYS软件有限元软件，进行更细致的应力应变分析，如图3-1b所示，其使用ANSYS软件基于有限单元法计算柔性体的动态应力应变。由于ADAMS输出的载荷文件通过Marker点确定柔性体的载荷信息，所以这种方法仅适用于操作机构中不发生碰撞的零件。(https://www.daowen.com)

图3-1 刚柔耦合动力学模型仿真分析流程

a）ADAMS软件计算应力应变 b）ANSYS软件计算应力应变

基于ADAMS软件计算柔性体应力应变的刚柔耦合仿真分析具体步骤如下：

（1）建立柔性体有限元模型

将待分析的模型文件（*.x_t）导入ANSYS软件中，首先确定单元类型并定义材料属性，接着对模型进行网格剖分，由于过多的网格数量将使得模态文件非常大，而过少的网格数量将影响模态分析的精度，因此网格单元的大小是决定模态文件生成质量的一个重要因素。

（2）输出ADAMS软件需要的MNF文件

在完成网格剖分并建立了刚性连接区域以后，利用ANSYS软件中的宏命令可以对柔性体的有限元模型生成模态中性文件（*.mnf），此模态中性文件包含了柔性体的质量、质心、转动惯量、频率和振型等信息。

（3）建立刚柔耦合仿真分析模型

在断路器刚体动力学模型的基础上，通过ADAMS/Flex模块引入柔性体的模态中性文件，并替代刚性体零件，添加柔性体与其他零部件之间的约束后，可以进行断路器的刚柔耦合混合动力学仿真分析。

（4）结果后处理

仿真完成以后，通过调用ADAMS/Durability模块可以读取柔性体的应力应变结果并进行云图显示。

基于ANSYS软件计算柔性体应力应变的仿真分析方法，需要将ADAMS软件中柔性体的载荷（*.LOD）输出到ANSYS有限元软件并进行求解，如图3-1b所示。通过比较两种方法的计算结果，可以验证基于模态综合法计算柔性体应力应变的准确性。