跷板式开关装置动力学建模与仿真

　　跷板式开关装置属于家用电器开关,其传统定型过程必须经过设计、试制、测试、修改、生产等阶段,且在设计阶段难以评价其使用性能。部分开关产品“开”和“关”的功能无法实现,或者时好时坏。企业迫切想要优化开关的结构参数,提高开关工作的可靠性和稳定性,加强市场竞争能力。有限元分析可以动态仿真描述开关的实际工作过程和构件受力情况,揭示开关在不同时刻、不同结构参数下的工作状态及变化规律;可以方便地进行开关结构的优化设计。通过HyperMesh软件建立开关装置的有限元模型,通过LS-DYNA软件求解,并对运算结果进行动态力学分析。

　　1　实体模型的建立和简化

　　目前,三维实体模型的创建通常是在大型的CAD软件中进行,然后利用HyperMesh与CAD软件的接口,将文件通过一些中间格式(如IGS、STL、DXF等)导入到HyperMesh中。有限元建模,既要保证有限元分析的精度,又要尽量减少有限元分析的计算量。为了减小计算量,需要对实体模型进行几何形状的简化。实体模型的简化主要有两种方法:一是在三维实体造型软件中对模型的某些细小几何特征,例如倒角、倒圆、小孔、键槽等,进行预先清理;二是在HyperMesh中利用菜单功能对模型进一步细化清理,主要是面的重新划分、线的压缩、相邻点的合并等。

　　根据跷板开关结构特点,在进行动态分析时,主要关心的是构件的线性位移,要求模型能够正确反映运动特性。跷板开关实体模型的简化主要包括以下几个方面:

　　(1)忽略了一些结构,例如满足加工装配需要开设的倒角、小圆孔、小凸台;起装饰作用的面板边框;受力驱动按钮的开关面板(对按钮施加正确的驱动条件就可以)等。

　　(2)简化了一些结构。开关底座是复杂的箱体结构,开关工作时它静止不动,故只保留其中起限位、挡板和支座作用的三个部分。跷板与动触头之间、金属片与触点之间没有相对运动,用焊接单元分别将他们组合在一起。

　　(3)忽略按钮的弹性变形,假设为刚体,材料体积不变。

　　(4)压缩相距很近的共享边。

　　简化后的跷板开关的模型如图1所示。

　　2　有限元模型的建立和分析

　　有限元建模是有限元分析的难点,也是有限元分析的关键点,工作量约占整个有限元分析的80%。有限元建模包括单元类型的选择、网格的划分、边界条件的定义等。

　　2　有限元模型的建立和分析有限元建模是有限元分析的难点,也是有限元分析的关键点,工作量约占整个有限元分析的80%。有限元建模包括单元类型的选择、网格的划分、边界条件的定义等。