断路器联动箱有限元模态分析

断路器联动箱有限元模态分析

蔡东苗

（河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

摘要：以断路器联动箱为研究对象，运用SolidWorks三维软件对其进行实体建模，然后利用ANSYS Workbench对其进行自由和约束两种状态下的模态分析。分析表明： 利用ANSYS Workbench对断路器联动箱进行模态分析，可以清楚地确定断路器联动箱变形情况，避免理论计算的复杂性，为断路器联动箱的改进奠定了理论基础。

关键词：联动箱体；有限元；模态分析

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A

Circuit breaker linkage box finite element modal analysis

Abstract: The circuit breaker linkage box as the research object, using SolidWorks 3D solid modeling software to it, and then use ANSYS Workbench to analyze modal free and constrained under two conditions of the. The analysis shows that the circuit breaker linkage box deformation can be clearly determined by the modal analysis of circuit breaker linkage box by ANSYS Workbench, which avoids the complexity of the theoretical calculation and lays a theoretical foundation for the improvement of circuit breaker linkage box.

Keywords: linkage box; finite element; modal analysis

0引言

断路器产品是高压开关设备中最重要的设备之一，具有开合电路的专用灭弧装置，不仅能通断负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。在负荷投入或转移时，它应该准确地开合。在设备（发电机、变压器和电动机等）出现故障或母线、输配电线路出现故障时，它能有选择地动作，保证非故障点的安全连续运行，在维护电力系统的安全、经济和可靠性运行中发挥重要作用。由于其结构的特殊性和作用的重要性，其被广泛应用于发电厂、变电所及电力系统中。断路器联动箱是保障断路器正常工作的枢纽，其结构的稳定性和抗震性是保证其正常工作的前提，如果断路器联动箱结构设计不合理，在工作过程中极易产生较大的振动和噪声，影响断路器使用性能和寿命。对断路器联动箱进行有限元模态分析，为断路器提高可靠性和减小噪声提供理论依据。

1 断路器联动箱三维模型的建立

对于有限元模型的建立方式主要有以下两种，一种是利用 ANSYS Workbench 自带的几何建模“Engineering Data”直接建立，另一种则是通过其它三维软件建立几何模型再利用三维与ANSYS之间的无缝接口导入已建立的模型。由于断路器联动箱结构比较复杂，且ANSYS的三维建模能力存在一定的局限性，本文主要采用SolidWorks来建立断路器联动箱的三维实体模型。在建模之初，为了实现计算的便捷性，对断路器联动箱模型进行合理的简化，去除对分析结果影响较小的结构，简化后的断路器联动箱模型如图1所示。

图1断路器联动箱三维模型

2 断路器联动箱模态分析

有限元模态分析的基本思想是将结构或连续体的求解域离散为若干个单元，并通过边界的节点相互联结为一个组合体，然后用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求解的未知场变量。模态分析的目标在于识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

2.1 断路器联动箱自由状态下模态分析

利用ANSYS对断路器联动箱进行自由状态下的模态分析，其计算得到的结果在理论上可以通过数学建模的方法获得其它任何有约束状态下的特性，而反之则不能，因此在自由状态下对断路器联动箱进行有限元模态分析具有一定的理论意义。

定义单元类型为四面体单元，设置断路器联动箱的材料属性，弹性模量71000MPa，泊松比为0.33，密度为2680kg/m3。采用边控制函数对断路器联动箱进行网格划分，断路器联动箱网格划分如图2所示，网格单元尺寸10mm，共产生185248个节点，110187个单元。网格过渡平滑，无畸变网格，网格质量较高，满足数值计算模型的要求。

图2 断路器联动箱自由状态网格划分图

断路器联动箱结构的振动可以用各阶固有频率对应的振型来体现，其中相对于高阶振型而言，低阶振型对断路器联动箱结构的影响较大，因此，进行断路器联动箱有限元模态分析时，提取前15阶底座的固有频率和振型。通过对断路器联动箱的在自由状态下模态分析得到其固有频率如表1所示，其第7、8、9、10阶振型如图3、4、5、6所示。

表1 断路器联动箱的在自由状态下固有频率及振型

图3 断路器联动箱第七阶振型 图4断路器联动箱第八阶振型

图5 断路器联动箱第九阶振型 图6 断路器联动箱第十阶振型

由表1可以得出，前6阶为底座刚体模态，可以忽略不计。断路器在工作过程中，灭弧室工作频率为50Hz，与联动箱在自由状态下前10阶频率相差较远，不会发生共振，影响断路器正常工作。

2.2 断路器联动箱约束状态下模态分析

由于断路器联动箱在自由状态下的模态是表达联动箱结构在自由振动的固有属性，只与联动箱结构本身相关，与外部激励无关。为了进一步探究联动箱在灭弧室工作状态下的动态特性，因此，需要对其进行有约束状态下的模态分析。

利用自由状态下建立的断路器联动箱三维实体模型，同样选择四面体单元，且材料属性定义与自由状态下断路器联动箱模态分析设置的一致。对断路器联动箱进行网格划分，共生成499937个节点和317675个单元。网格划分如图7所示。在实际应用中，由于联动箱下法兰固联在支柱法兰上，所以对联动箱下法兰添加固定约束，通过对联动箱的在约束状态下模态分析得到其固有频率如表2所示，其第1、3、4、6阶振型如图8、9、10、11所示。

图7 断路器联动箱约束状态网格划分图

表2 断路器联动箱的在约束状态下固有频率及振型

图8 断路器联动箱第一阶振型 图9 断路器联动箱第三阶振型

图10 断路器联动箱第四阶振型 图11 断路器联动箱第六阶振型

经过有限元模态计算，并将断路器联动箱计算结果与灭弧室工作时的固有频率比较得出，底座第1阶频率与灭弧室的工作频率较近，可以通过改变断路器联动箱结构，以此来改变断路器联动箱的固有频率，避免产生共振。

通过对底座自由和约束两种状态下的模态分析可知，其最大变形和位置均发生在灭弧室的连接法兰，因此，灭弧室的连接法兰容易发生共振等问题，所以改变灭弧室的连接法兰刚度和结构对实际工程具有一定的参考意义。

3 结论

（1）运用SolidWorks三维软件对断路器联动箱进行三维建模，再利用ANSYS Workbench对其进行模态分析，大大提高了对断路器联动箱的分析研究效率。

（2）通过ANSYS分析得到断路器联动箱在两种状态下的前10阶固有频率及相应振型，观察断路器联动箱的振型图可知，其最大变形发生在灭弧室的连接法兰，为断路器联动箱的优化设计提供相应的理论依据。

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