基于ADMS的斷路器分斷機構優化設計與仿真平臺的開發

摘要：論文基于ADMS的原理和方法，根據斷路器分斷性能與結構參數、力學參數之間的關系和約束條件，利用逆向工程的方法，按照系統設定的優化目標，進行了基于ADMS的斷路器分斷機構優化設計與仿真平臺的開發，該平臺能夠實現對分斷機構的設計參數進行優化設計，最后輸出優化設計后的結果。

關鍵詞：ADMS 斷路器 分斷機構 參數化模型 優化仿真

0 引言

溫州是中國“低壓電器之都”，年產值300多億元，占全國低壓電器的70%。低壓斷路器（以下簡稱斷路器）是最常用的工業電器之一。斷路器觸頭分斷機構（簡稱分斷機構）由操作機構和觸頭機構組成，是斷路器的核心部件，斷路器的關鍵技術指標——分斷能力與分斷機構的固有動作特性密切相關。因此，分斷機構的設計是斷路器設計的關鍵。設計出滿足性能要求的分斷機構是提供高質量、高可靠性的斷路器的基礎。

在傳統的產品設計中，首先是概念設計與方案論證，然后進行詳細設計。在設計完成后，為了驗證設計的結果，通常制造樣機進行試驗。若不滿足要求，修改設計參數重新設計和試驗，多次反復直到滿足要求為止，傳統的產品設計方法，主要的缺點是：設計周期長、設計成本高、試驗費用大。

為了實現上述目的，本文提出利用逆向工程和虛擬樣機技術進行斷路器分斷機構的參數設計和性能試驗，解決設計成本高、設計周期長、試驗費用大的問題，以滿足快速變化的市場需求，從根本上消除我國電器行業長期依靠仿照國外產品、受知識產權問題困擾嚴重的現象。

1 平臺開發原理

ADAMS即機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），該軟件是美國MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

在ADAMS中，雖然有建模功能，但只能實現簡單的連桿和拉伸等，復雜的曲面很難實現且建模操作遠不如UG中方便。論文首先在UG中按照原尺寸大小在UG中建立實體造型，再進行零部件之間的干涉檢查后，轉換成Parosolid格式，其優勢是轉換過去的曲面曲線精度高，數據不會丟失，最后將模型數據以Parosolid格式準確地傳遞到ADAMS軟件中，包括零部件的結構、形狀、曲線和曲面、質量和質心、慣性矩等信息。

在完成以上工作后，還需要特別注意的一點，在加約束之前，每個零部件的初始位置要求非常準確，否則會影響仿真結果的準確性。在ADAMS中調整零件的位置通過把構件添加到一個group中，然后選擇參考點進行旋轉移動。在此之后開始添加約束、力載荷及柔性連接。

2 優化設計與仿真平臺的開發

以分段速度最大化為目標函數，以鎖扣力、主彈簧拉力K、合閘力、開閘力和B點X、Y等為設計變量，以輸入的性能指標分段速度、合閘力、終壓力和開閘力大小滿足要求為約束條件，通過操作機構動力學模型建立目標函數和設計變量、約束條件之間的內在關系，從而構建操作結構的優化設計模型，并利用ADAMS內嵌的計算分析功能，實現操作結構的優化設計。

本系統是在ADAMS/View基礎上的二次開發，主要的功能包括：①模型導入。導入需要設計、優化、仿真或性能曲線分析的模型。②機構設計（正向）。輸入機構主要的設計參數，通過系統的優化設計，獲得滿足設計要求的機構。③機構仿真。機構仿真是對模型不同動作過程的仿真，包括全過程、合閘分閘、自由脫扣、手柄固定自由脫扣、超行程、慢動作合閘以及優化設計等7個仿真腳本。④機構優化設計及驗證（逆向）。根據設計要求（設定的目標函數和約束條件，選擇設計變量），對機構進行優化設計，并獲得優化結果。⑤曲線分析。曲線分析主要反映機構各種運動狀態下的性能指標曲線，包括分斷速度、動觸頭-基座角度、手柄彈簧力、彈簧角度、動靜觸頭開距、終壓力、動觸頭超行程、動觸頭-基座角速度、角度-分斷速度、開距-分斷速度等10種性能曲線。

系統是由數據層、模型層和設計層三個層組成的，系統框架結構圖見圖1。

ADAMS/View的二次開發的主體部分包含三種程序文件，分別是菜單文件、對話框文件和ADAMS命令文件，除了以上三類文件以外，還包括一個模塊的啟動文件和一個ADAMS環境的初始化文件。

通過上一節調用build.cmd文件對ADAMS環境進行了與二次開發相關的初始化工作，這其中包括通過讀入main.mnu文件和ppt_main.mnu分別定制主界面用戶菜單和分析曲線后處理界面用戶菜單，以及調用set_menu.cmd文件對用戶菜單進行初始化。

本次二次開發中，主界面用戶菜單是在ADAMS/View主界面菜單條上插入的Breaker用戶菜單項及其相應下拉菜單。

后期處理是指進行運動學仿真后，進入Adams/PostProcessor 界面完成的相應操作，包括曲線導入、分析和計算，以及動畫載入與曲線結合分析等。

3 總結

論文基于ADMS的原理和方法，運用動力學原理和逆向工程的方法，通過計算機仿真和可視化技術對設計結果進行虛擬試驗，開發基于ADMS的斷路器分斷機構優化設計與仿真平臺，并根據給定目標對設計參數進行優化，從而實現斷路器分斷機構的快速和準確設計。

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