趙四化，匡 勇，馬 兵，屈秀坤，蘇曉陽，李基堂

(1.天津航空機(jī)電有限公司, 天津 , 300308; 2.中國(guó)人民解放軍總參謀部陸航部軍事代表局,天津,300308)

高溫碟形雙金屬片動(dòng)作響應(yīng)特性技術(shù)研究

趙四化1*，匡 勇1，馬 兵1，屈秀坤1，蘇曉陽1，李基堂2

(1.天津航空機(jī)電有限公司, 天津 , 300308; 2.中國(guó)人民解放軍總參謀部陸航部軍事代表局,天津,300308)

高溫碟形雙金屬片是火警溫度繼電器的核心元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了研究其受熱動(dòng)作響應(yīng)特性，采用有限元分析方法，通過Solidworks結(jié)合ANSYS對(duì)雙金屬片進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，獲得了碟形雙金屬片的受熱動(dòng)作響應(yīng)特性，并且通過不斷改變高溫碟形雙金屬片的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解分析，根據(jù)分析結(jié)果總結(jié)高溫碟形雙金屬片的結(jié)構(gòu)與其受熱動(dòng)作響應(yīng)特性之間的關(guān)系，為高溫碟形雙金屬片的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

高溫；碟形雙金屬片；有限元；動(dòng)作響應(yīng)特性

0 引言

高溫碟形雙金屬片是發(fā)動(dòng)機(jī)防火產(chǎn)品溫度繼電器的核心零件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響溫度繼電器性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響整個(gè)飛機(jī)防火系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高溫碟形雙金屬片是一種高溫突變響應(yīng)的雙金屬片，該類雙金屬片產(chǎn)品具有溫度特性固定，動(dòng)作溫度精度高，控溫溫度高，觸點(diǎn)通斷重復(fù)性好，動(dòng)作可靠，使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各種溫感場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用[1]。

高溫碟形雙金屬片結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，其結(jié)構(gòu)直接決定了碟形雙金屬片溫度繼電器的受熱動(dòng)作響應(yīng)特性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)碟形雙金屬片的受熱動(dòng)作響應(yīng)特性分析主要集中在低溫碟形雙金屬片，其外形一般為單圓弧碟形片，根據(jù)板殼理論，將熱應(yīng)力簡(jiǎn)化為彎曲應(yīng)力，建立數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算過程十分復(fù)雜，可應(yīng)用性較差，且存在較大誤差。而高溫碟形雙金屬片外形結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，一般由多段圓弧拼接而成，難以直接通過理論公式進(jìn)行計(jì)算，一般是通過工人的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，獲得其受熱動(dòng)作規(guī)律。

基于高溫碟形雙金屬片外形小巧且復(fù)雜的特點(diǎn)，本文采用Solidworks進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，獲得動(dòng)作響應(yīng)特性，根據(jù)分析結(jié)果來總結(jié)高溫碟形雙金屬片的結(jié)構(gòu)與其受熱動(dòng)作響應(yīng)特性之間的關(guān)系。

圖1 碟形雙金屬片F(xiàn)ig.1 Bimetal with dish shape

1 高溫碟形雙金屬片簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

高溫碟形雙金屬片由兩層不同形狀的金屬組成，膨脹系數(shù)較大的為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較小的為被動(dòng)層，當(dāng)高溫碟形雙金屬片受熱后，在彎曲應(yīng)力的作用下高溫碟形雙金屬片會(huì)向被動(dòng)層彎曲，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，高溫碟形雙金屬片會(huì)發(fā)生跳躍屈曲翻轉(zhuǎn)，稱此溫度點(diǎn)為斷開溫度點(diǎn)；當(dāng)溫度下降后，高溫碟形雙金屬片會(huì)向主動(dòng)層彎曲，當(dāng)溫度降到一定程度后，高溫碟形雙金屬片會(huì)再次發(fā)生跳躍屈曲翻轉(zhuǎn)，稱此溫度點(diǎn)為接通溫度點(diǎn)[2,3]，其跳躍屈曲過程示意圖見圖2。

1.跳躍前狀態(tài) 2.跳躍后狀態(tài)圖2 跳躍屈曲過程示意圖Fig.2 Snap-through buckling process

1.2 結(jié)構(gòu)特征

高溫碟形雙金屬片軸向剖視圖如圖3所示,主要由三段圓?、?、②、③，4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)A、B、C、D組成，其中圓?、俸蛨A弧③的撓度較小，而圓?、诘膿隙容^大。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得知，影響高溫碟形雙金屬片動(dòng)作響應(yīng)特性的主要因素是三段圓弧的撓度。

圖3 高溫碟形雙金屬片軸向剖視圖(單位mm)Fig.3 Axial section of high-temperature bimetal with dish

為了分析研究高溫碟形雙金屬片動(dòng)作響應(yīng)特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在分析過程中通過不斷改變A、B、C、D四點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)來調(diào)節(jié)圓?、?、②、③的撓度，根據(jù)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

2 熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)有限元分析過程

2.1 高溫碟形雙金屬片模型建立

本文分析過程中對(duì)高溫碟形雙金屬片進(jìn)行軸對(duì)稱簡(jiǎn)化，將3D模型轉(zhuǎn)換成2D剖面進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析，提高了求解效率和網(wǎng)格質(zhì)量。按照結(jié)構(gòu)測(cè)量的數(shù)據(jù)應(yīng)用Solidworks繪制剖面圖(見圖3)，轉(zhuǎn)化成IGES模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析。

2.2 單元及材料屬性定義

熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)有限元分析包括直接分析法和間接分析法，不同的分析方法對(duì)應(yīng)不同的單元。本文采用直接分析法，應(yīng)用具有熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析功能的PLANE13單元，該單元具有大變形和應(yīng)力剛度能力，能夠應(yīng)用在非線性分析過程中[4]。

經(jīng)過雙金屬材料生產(chǎn)廠家試驗(yàn)測(cè)試，材料物理屬性見表1。

表1 材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分及載荷施加

網(wǎng)格劃分如圖4所示，采用映射網(wǎng)格的方式來控制網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量，分別對(duì)三個(gè)圓弧段進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.05 mm,消除了尖銳、變長(zhǎng)比很大的網(wǎng)格單元，能夠提高運(yùn)算結(jié)果的精度和效率。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

由于高溫碟形雙金屬片加熱翻轉(zhuǎn)和冷卻翻轉(zhuǎn)是一個(gè)變溫度載荷的過程，這里我們采用瞬態(tài)分析，施加隨時(shí)間變化的均勻溫度場(chǎng)。其施加的載荷如圖5所示。

T=TIME/60×550 (0 s

T=(120-TIME)/60×550 (60 s

升溫和降溫的周期是120 s

最高溫度是550℃、起始溫度是0℃

載荷步為240步加載

圖5 載荷施加Fig.5 Load application

2.4 接觸設(shè)置及約束設(shè)置

雙金屬片由兩層金屬碾壓而成，緊密帖合，使用過程中無分離現(xiàn)象，因此接觸設(shè)定為綁定約束。

火警溫度繼電器在使用過程中，通過螺釘固定雙金屬片中心孔，因此仿真模型中固定約束雙金屬片中心孔邊緣。

2.5 分析求解及后處理

為了定型分析高溫碟形金屬片的斷開溫度點(diǎn)和接通溫度點(diǎn)，計(jì)算D點(diǎn)Y軸方向的位移隨時(shí)間(溫度)的變化。其結(jié)果如圖6所示。

從結(jié)果中我們可以看出，高溫碟形雙金屬片在整個(gè)升溫和降溫過程中，存在兩個(gè)突變點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)斷開溫度點(diǎn)和接通溫度點(diǎn)，且斷開溫度高于接通溫度,與實(shí)際過程相符，變形云圖見圖7。

圖7 變形結(jié)果云圖Fig.7 The image of deformation

3 結(jié)構(gòu)與動(dòng)作響應(yīng)特性關(guān)系分析

3.1 圓弧①撓度對(duì)動(dòng)作響應(yīng)特性的影響

根據(jù)表1描述的調(diào)節(jié)方式，改變圓?、倨鹗純牲c(diǎn)A和點(diǎn)B的Y軸差值，獲得分析結(jié)果如表2所示。

表2 圓弧①不同撓度下的分析結(jié)果

圖8 圓?、贀隙葘?duì)動(dòng)作溫度點(diǎn)的影響曲線Fig.8 Impact of deflection of Arc ① on action temperature

注：Δ表示基礎(chǔ)對(duì)照數(shù)據(jù)，其它數(shù)據(jù)是調(diào)整后結(jié)果。

根據(jù)分析結(jié)果，以溫度差為Y軸，坐標(biāo)變化量(Y(A-B)數(shù)值增量)為X軸作圖，總結(jié)其變化規(guī)律，如圖8所示。

根據(jù)圖8分析結(jié)果可知：圓弧①撓度越小，斷開點(diǎn)溫度越低，接通點(diǎn)溫度越高；圓?、贀隙仍酱?，斷開點(diǎn)溫度越高，接通點(diǎn)溫度越低。斷開點(diǎn)的溫度變化差值要大于接通點(diǎn)的溫度變化差值，圓?、俚膿隙葘?duì)斷開點(diǎn)溫度的影響要大于接通點(diǎn)溫度的影響，且它們之間的影響存在反向關(guān)系。

3.2 圓弧②、圓?、蹞隙葘?duì)動(dòng)作響應(yīng)特性的影響

按照同樣的方法可以獲得，圓?、?、圓?、蹞隙葘?duì)動(dòng)作溫度點(diǎn)的影響曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 圓?、趽隙葘?duì)動(dòng)作溫度點(diǎn)的影響曲線Fig.9 Impact of deflection of Arc ② on action temperature

根據(jù)圖9分析結(jié)果可知：圓?、趽隙仍叫。瑪嚅_點(diǎn)溫度越低，接通點(diǎn)溫度越低；圓弧②撓度越大，斷開點(diǎn)溫度越高，接通點(diǎn)溫度越高。斷開點(diǎn)的溫度變化差值要大于接通點(diǎn)的溫度變化差值，圓?、诘膿隙葘?duì)斷開點(diǎn)溫度的影響要大于接通點(diǎn)溫度的影響，且它們之間的影響存在正向關(guān)系。

圖10 圓?、蹞隙葘?duì)動(dòng)作溫度點(diǎn)的影響曲線Fig.10 Impact of deflection of Arc ③ on action temperature

根據(jù)圖10分析結(jié)果可知：圓弧③撓度越小，斷開點(diǎn)溫度越低，接通點(diǎn)溫度越低；圓?、蹞隙仍酱?，斷開點(diǎn)溫度越高，接通點(diǎn)溫度越高。斷開點(diǎn)的溫度變化差值要大于接通點(diǎn)的溫度變化差值，圓?、鄣膿隙葘?duì)斷開點(diǎn)溫度的影響要大于接通點(diǎn)溫度的影響，且它們之間的影響存在正向關(guān)系。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分析結(jié)論的準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其成型的高溫碟形雙金屬片結(jié)構(gòu)尺寸及其動(dòng)作溫度變化規(guī)律如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表3中A、B、C、D行數(shù)據(jù)可知，圓?、贀隙仍酱螅瑪嚅_溫度越高，接通溫度越低，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率；根據(jù)表3中B、E、F、H行數(shù)據(jù)可知，圓?、趽隙仍酱螅瑪嚅_溫度越高，接通溫度越高，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率；根據(jù)表3中B、I、G、K行數(shù)據(jù)可知，圓弧③撓度越大，斷開溫度越高，接通溫度越高，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。

5 結(jié)論

本文以高溫碟形雙金屬片為研究對(duì)象，介紹了其工作原理和結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用Solidworks建模并不斷改變高溫碟形雙金屬片結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行非線性熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)有限元分析，獲得其受熱變形動(dòng)態(tài)過程，并根據(jù)分析結(jié)果歸納了高溫碟形雙金屬片結(jié)構(gòu)與其動(dòng)作響應(yīng)特性之間的關(guān)系，為高溫碟形雙金屬片的外形參數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)提供了理論支持，為沖壓成型模具提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，大大提高了高溫碟形雙金屬片的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，具有重要的借鑒意義。

[1] 朱寶全. 碟形雙金屬片受熱變形分析[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2010, 26(3): 28-30.

[2]滕志君, 張揚(yáng). 熱繼電器雙金屬元件工作原理與穩(wěn)定性分析[J]. 低壓電器, 2013, 18: 56-58.

[3]周曉紅, 楊風(fēng)雷. 碟形雙金屬片在熱保護(hù)器中的應(yīng)用[J]. 日用電器, 2012, (11): 38-41.

[4] 胡仁春, 等. ANSYS 15.0多物理耦合場(chǎng)有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2014, 100-300.

Action response characteristic of high-temperature bimetal with dish shape

ZHAO Sihua1, KUANG Yong1, MA Bing1, QU Xiukun1, SU Xiaoyang1, LI Jitang2

(1. AVIC Tianjin Aviation Electro-Mechanical Co.,Ltd., Tianjin 300308， China; 2. PLA General Staff Land Office. Tianjin 300308， China)

As the core components of fire temperature relay, the high-temperature bimetal with dish shape has complicated structure. Its action response characteristic cannot be studied by theoretical formula. So, in this paper, the bimetal is analyzed with Solidworks and ANSYS. The thermal deformation dynamic characteristic of bimetal with dish shape is obtained. According to the results from changing the shape of bimetal, the relationship between the shape of the bimetal with dish shape and thermal action response characteristic is summarized. The characteristic will provide theoretical basis for designing the structure parameters and adjusting the data of bimetal.

High-temperature; Bimetal with dish shape; FEA; Action response characteristic

2016-01-04；修改日期：2016-07-04

趙四化(1987-)，男，河北任丘人.現(xiàn)在天津航空機(jī)電有限公司擔(dān)任產(chǎn)品工程師，主要從事飛機(jī)防火產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)仿真分析相關(guān)研究。

趙四化,E-mail: zhaosihua1987@126.com

1004-5309(2016)-00199-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.05

X936;X932

A