基于瞬態沖擊的高溫閥開關組件結構設計

時宏森，高 鑫，毛海龍，蔡大靜，陳 強(.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 55008；.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 55008)

0 引言

動力學通用運動方程為：

求解通用運動方程有兩種主要方法，即模態疊加法和直接積分法。其中模態疊加法是確定結構的固有頻率和模態乘以正則化坐標，然后加起來計算位節點的位移解。這種方法可以用來進行瞬態和諧響應分析。直接積分法是直接求解運動方程。對于諧響應分析，由于載荷與響應都假設是諧函數，所以運動方程式力的頻率函數，不是以時間函數的形式來寫出并求解的，至于瞬態分析，運動方程保持為時間的函數，這可通過顯式或隱式方法進行求解，其中隱式求解方法的特點是：

·要求矩陣求逆；

·非線性要求平衡迭代；

·積分時間步長Δt可以很大，但由于收斂問題而受到限制。

除了Δt要求很小的情況外，隱式積分法對大多數問題都是有效的。

某飛行器高溫閥產品局部結構如圖1所示，工作時開關組件隨整機一起承受振動、沖擊等力學環境載荷。電磁鐵非工作狀態下銜鐵在軸向可自由移動，由于其自身的重量，在振動、沖擊等力學環境作用下會對開關簧片及彈簧系統產生軸向的作用力，理想情況下該作用力將與簧片及彈簧的反作用力達到平衡，使得：

圖1 高溫閥組件(局部視圖)

1)簧片處于材料線彈性范圍而不產生殘余變形，不喪失其彈性回復力；

2)彈簧處于正常伸縮范圍而不壓并；

3)開關觸頭不碰擊蓋子端面，簧片變形自由。

可見，要達到以上目的，實現高溫閥開關組件的預定功能，結構設計比較復雜，這其中涉及到簧片及彈簧的材料選擇，結構尺寸的優化設計，包括開關觸頭離蓋子端面的軸向距離等，這些因素最終都會影響到簧片及彈簧系統的結構剛度。本文運用ANSYS Workbench軟件，采用直接積分法，對高溫閥開關系統進行結構瞬態沖擊動力學仿真分析，結合產品軸向空間尺寸限制，確定合理的結構設計尺寸。

1 開關組件瞬態沖擊有限元仿真

1.1 開關組件有限元模型的建立

按照分析模型的受力特點，本文采用ANSYS Workbench瞬態動力學分析模塊進行瞬態沖擊仿真。高溫閥開關組件計算模型如圖2所示，有限元網格模型如圖3所示。

圖2 開關組件計算模型 圖3 開關組件網格模型

簧片、銜鐵、蓋子按真實尺寸建模；彈簧采用ANSYS Workbench中的連接元件spring；安裝螺釘采用ANSYS Workbench中的連接元件beam；另外，為了節省計算資源，抓住問題的主要矛盾，銜鐵和蓋子的有限元模型設置為“剛體”，只考慮其剛體行為，不考慮其變形和應力，從而大大減少計算量。

銜鐵和簧片沖擊過程中存在接觸摩擦，因此在銜鐵端面與蓋子接觸部分會生成剛體面網格。

1.2 開關組件材料參數設置

簧片：材料選用鈹青銅，鈹青銅材料力學性能參數如表1所示。

表1 鈹青銅材料的力學性能參數

彈簧：剛度5.2 N/mm。

銜鐵：通過調整其模型密度，使其重量達到實際重量140 g。

1.3 沖擊邊界條件設置

按照產品任務書要求的沖擊量級，折合銜鐵初始軸向速度2.33 m/s。

1.4 瞬態沖擊有限元仿真結果

1)沖擊過程中簧片的變形分布結果

在沖擊載荷作用下，銜鐵壓縮極限距離如圖4所示。可見，銜鐵壓縮極限距離為8.7533 mm，時間發生在0.0046 s。該計算結果表明，蓋子與觸頭之間的軸向距離在裝配靜止狀態應大于8.7533 mm，在沖擊過程中，觸頭才不會碰擊蓋子端面，保證簧片的自由變形。

另外，從圖4可見，沖擊過程的位移分布呈周期性變化，與沖擊響應實際情況比較吻合。

圖4 銜鐵壓縮極限距離計算結果

2)沖擊過程中簧片的應力分布結果

在沖擊載荷作用下，簧片受到銜鐵壓縮，將產生變形與內力，以抵抗銜鐵的沖擊作用力。在沖擊過程中，簧片的最大應力分布如圖5所示。由于缺乏材料的塑性應力-應變曲線，本次分析材料模型采用鈹青銅材料的線彈性模型，沒有考慮材料的塑性變形，所以沖擊過程中，鈹青銅的最大應力達到1042 MPa，超過材料的強度極限635 MPa，材料將產生局部塑性變形。

圖5 簧片在沖擊過程中最大應力分布

另外，從仿真計算結果可見，沖擊過程的應力響應也呈周期性變化，與結構實際受力情況比較吻合。

2 開關組件蓋子軸向位置的確定

如圖1所示，結構設計需要確定在工作過程中，開關觸頭不碰擊蓋子內表面，保證簧片能自由變形。從有限元仿真結果可知，銜鐵壓縮極限距離為8.7533 mm。結合開關組件在總成上的尺寸限制，取1.5倍的安全系數，最終確定蓋子內側表面到觸頭的軸向安裝距離為L=8.7533×1.5=13 mm。

3 結束語

開關觸頭與蓋子之間的最小軸向距離的確定，可以通過以下途徑來調整：一是通過更改簧片的材料和結構，從而改變簧片的剛度；二是改變彈簧的剛度；三是同時調整簧片和彈簧的剛度以及開關觸頭與蓋子之間的距離。最后通過有限元仿真計算，從而確定方案的合理性。

本文利用ANSYS Workbench軟件對某飛行器高溫閥開關組件進行瞬態沖擊力學仿真分析，得到了簧片在沖擊載荷作用下的極限壓縮量8.7533 mm及最大應力分布，取1.5倍的安全系數，從而確定了開關觸頭與蓋子內側之間的最小軸向距離13 mm。

有限元仿真分析作為產品方案設計階段的重要驗證手段，可以減少一定的實物樣機試驗，從而有效地規避產品結構設計中不可預知的缺點和錯誤，縮短產品研發周期，提高產品的市場競爭力。