基于ADAMS的塑殼斷路器機構參數化設計

胡正勇，趙 瑩，冷北雪，徐湘憶

(1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.四川電力職業技術學院，成都 611133)

對斷路器機構仿真分析的最終目的，是改進優化斷路器機構，因此建立用于分析改進的斷路器參數化仿真模型是非常必要的[1]。通過建立簡單便捷的中文操作菜單和參數化部件，可以使工程技術人員不深入學習仿真軟件就能仿真分析和改進優化斷路器模型。參數化仿真模型是低壓電器數字化設計的重要模塊之一，通過建立專用的低壓斷路器機構仿真模型，可以有效地提高低壓電器設計水平。

由于商用軟件ADAMS計算求解精度高，使用普遍[2]，本文利用ADAMS軟件包及二次開發功能，建立了某款塑殼斷路器參數化設計模型，可方便地修改樣機模型，進行仿真分析、優化設計。

1 參數化模型的建立

1.1 建立參數化部件

雖然ADAMS提供了圖形接口，以便用戶導入專業三維軟件建立的模型，但是ADAMS對于導入的模型是不能進行參數化的，即不能修改模型部件。為了建立參數化模型，必須使用ADAMS自帶的建模器進行建模。同時，受限于ADAMS的建模功能，對于一些對參數化模型沒有影響的復雜部件，只部分建模或者不重新建模。

對于參數化模型的自建模，ADAMS提供了四種類型的幾何體：剛性形體、柔性形體、點質量和地基形體。參數化模型的自建模需要用圓柱形體(cylinder)來模擬各種轉軸和限位桿；利用片體(plate)來實現復雜連桿，動觸頭等的建模；利用連接件(link)來實現簡單連桿的建模。

ADAMS提供了參數表達式、參數化點坐標、運動參數化和設計變量四種參數化方法[3]。為了實現對參數化模型部件的修改，采用marker點和point點結合的方式參數化。在模型里建立任何部件和約束，都會在相應的位置生成marker點，或者說模型部件的構建是以marker點為基礎的。因此，通過修改marker點就可以實現修改模型。同時為了使多個marker點自動聯系，同步運動，建立與周圍marker點相關聯的point點。

point點的修改決定marker點的修改，而marker點又決定了部件形狀和模型參數。同理，模型中的各種約束也利用此特征實現自適應調整。因此，仿真模型的參數化是以大量的可參數化marker點為基礎的，結合多個關聯point點，再輔以軟件包函數輸入功能，實現了完整的塑殼斷路器部件參數化模型。

1.2 開發人機交互輸入對話框

交互對話框包括各種界面對象，如標題、數據區、按鈕等。參數化模型使用對話框編輯器(Dialog Box Builder)來創建和修改對話框以更好地滿足設計需要。定制一個模型部件參數輸入對話框的具體步驟如下。

(1)進入對話框編輯器，新建一個對話框，命名為“shoubing”，如圖1所示。

圖1 新建、修改參數化部件對話框

(2)在新建的對話框中添加控件，包括Label、Field、Button等。

(3)在Field的Commands選項中添加命令。移動一個標記點的命令如下：

(4)然后對輸入的變量進行屬性定義，將對話框中的數值賦值給設計變量。

(5)測試對話框(Test Box)并美化界面，完成定制。

用戶在對話框中輸入相關參數后，按下回車鍵，參數化部件就會自動更新，然后就可以對新的模型進行仿真分析。由于ADAMS不支持中文，為了使用方便，采用在對話框編輯器中貼圖的方式，實現了對話框中文化。

1.3 參數化模型描述

參數化模型建立了需要重點關注和優化的所有參數化部件和對話框，以下舉例說明。

1.3.1手柄

建立的參數化手柄及對話框如圖2所示，其參數化方式為部分參數化，即不影響機構運動的手柄上部復雜部分利用專業造型軟件建立并導入，手柄下部利用ADAMS造型并將兩者合并。手柄的邊緣折線處用多個標記點(marker)標記，通過修改標記點來修改手柄形狀，對話框中帶圈的標記點即是可以修改的標記點。圈旁邊有兩個輸入框，左輸入框表示X軸方向修改框，右輸入框表示Y軸方向修改框。右上角的只顯示部件按鈕表示只顯示手柄這一個部件，方便用戶觀察部件形狀并進行修改；顯示全模型按鈕表示顯示整個模型，退回模型主界面。

左下角的密度輸入框可以方便地改變部件的密度，輸入框內顯示的數值是默認密度值，有利于用戶理解設置值并根據需要進行修改。

底部的轉動角度輸入框可以方便地轉動手柄位置，從而調整手柄的初始位置，實現不同類型的仿真過程。

撤銷按鈕表示取消上一個的操作，便于用戶在誤操作之后回復到正確的初始模型。

關閉按鈕的功能為關閉當前對話框。

圖2 參數化手柄及對話框

1.3.2跳扣對話框

參數化跳扣及對話框如圖3所示，其參數化方式為完全參數化，即只利用ADAMS造型。跳扣也是通過修改標記點來修改模型，可以修改的標記點用圈標記。如果一個圈內有多個標記點，表示同時移動這幾個標記點。

參數化模型的優點之一是模型的自動調整功能，為了達到此目標，在修改部件時，有時需要同時修改其他部件，以實現模型的自動調整。例如：當修改跳扣右下角孔位置時，需要同時修改側板上孔的位置，也需要調節穿過這個孔的軸銷的位置，實現自動調整吻合位置。參數化模型中很多地方都需要自動調整，以保證模型的正確性。

圖3 參數化跳扣及對話框

1.3.3主軸

參數化主軸及對話框如圖4所示，其參數化方式為部分參數化。主軸的形狀隨著動觸頭片的修改而修改，主軸和動觸頭片相對角度不變，保證了動觸頭片下沿與穿過主軸的槽的上沿貼合。

轉動角度輸入框可以轉動主軸，相應的動觸頭片和主軸上的附屬零部件會跟著主軸一起轉動，以便與調節初始位置和觸頭開距。

下連桿軸銷輸入框是移動下連桿與主軸之間的連接軸銷，其目的是修改下連桿的轉動點，即下連桿軸銷的位置決定了下連桿下轉動點的位置。

彈簧作用點輸入框可以修改觸頭彈簧在主軸上的作用點，從而調節觸頭彈簧的作用方向和位置。

移動靜觸頭輸入框可以移動靜觸頭，從而調整靜觸頭的位置和動觸頭匹配。

圖4 參數化主軸及對話框

1.3.4其他參數化部件及對話框

為了實現斷路器完整模型的參數化，參數化模型還建立了上連桿、下連桿、動觸頭片、觸頭頂板等多個參數化部件及對話框，實現了整個模型部件的參數化。圖5為參數化上連桿及對話框。

圖5 參數化上連桿及對話框

1.4 專業應用菜單的建立

為了方便用戶進行模型的修改和優化，特別定制了應用菜單和用戶界面，方便用戶改變設計變量，自動完成設計分析。

用戶菜單界面開發通過菜單編輯器來完成。通過Tools>Menu>Modify操作打開Menu Builder窗口進行編輯。菜單文件是用解釋性語言編制的程序段，通過編制菜單文件的語法文件，可以定制自己所需的菜單。

菜單對象有四種類型：菜單、按鈕、開關按鈕和分割線[3]。參數化模型菜單界面語法主要使用Menu和Button兩個對象，實現了添加“MCCB_400”一級菜單和“Modify parts”二級菜單；實現了添加“shoubing”，“ceban”，“tiaokou”等修改模型部件的按鈕；修改彈簧參數按鈕“Modify spring parameters”，修改摩擦碰撞參數按鈕“Modify friction contact parameters”等菜單，定制了完整的參數化設計應用菜單，如圖6所示。

圖6 參數化模型菜單編輯器

2 設計優化模塊的添加

2.1 彈簧參數設置模塊

塑殼斷路器中的彈簧主要包括主彈簧和觸頭彈簧，參數包括彈簧預載荷，剛度系數和阻尼系數，由于小彈簧的阻尼系數較小，一般阻尼系數采用默認值。

由于工程圖中沒有彈簧預載荷和剛度系數等數值，而是彈簧初始長度H0，工作初始長度H1，工作最大長度H2，以及彈簧力F1和F2等。為了便于工程技術人員使用以及模型不同起始時刻的仿真，彈簧參數設置對話框采用工程圖參數輸入，如圖7所示。

圖7 彈簧參數設置對話框

根據輸入的參數值，參數化模型仿真中，剛度系數K=fabs((F2-F1)/(H2-H1))。

彈簧載荷LOAD=(H0-模型中彈簧兩端距離L)×K。

2.2 摩擦碰撞參數設置模塊

仿真模型的摩擦系數和碰撞系數影響著仿真模型的準確性，而且不同斷路器機構的實際參數是有差異的，因此需要專用對話框來進行參數設置，如圖8所示。斷路器機構基本都為鋼材，為了方便用戶，模型采用統一的摩擦系數。摩擦系數默認為有潤滑的鋼-鋼摩擦系數。標準鋼-鋼摩擦系數如表1所示。

表1 鋼鋼摩擦系數表

碰撞系數有鋼-鋼碰撞和動靜觸頭碰撞兩種，主要用來調節動觸頭的反彈量，其他部件的碰撞彈跳不影響仿真過程，無需單獨設置。

圖8 摩擦碰撞參數設置對話框

2.3 電動力聯合仿真模塊

由于斷路器在開斷短路電流時動觸頭會受到很大的電動力，其運動特性與空載條件下有很大區別，因此電動力的施加非常重要，需要制作電動力聯合仿真對話框，如圖9所示。

圖9 電動力聯合仿真對話框

影響斷路器機構分閘速度的力是動觸頭所受到的力，電動力共分為3相。為了便于用戶在空載條件下仿真和短路條件下仿真中切換，通過啟用電動力按鈕和停用電動力按鈕來啟動和停止該電動力的施加。通過開始作用時刻輸入框來設置所計算的電動力表格的開始作用時刻。

編輯時間電流網格按鈕和編輯電流開距電動力網格按鈕是用來輸入實驗電流和電動力網格的。時間電流網格得到每個時刻對應的電流，相當于I=f(t)，通過實驗電流波形或者經驗公式來計算；電流開距電動力網格得到不同電流值不同開距下的電動力，相當于F=f(I,d)，通過電磁場分析軟件ANSYS或者ANSOFT計算得到[4]。ADAMS通過每個時刻t和此時對應的開距d來插值電動力值，其插值流程如圖10所示。

圖10 ADAMS電動力插值流程示意圖

2.4 優化設計模塊

為了方便用戶實現參數化模型的自動優化功能，需要建立專用的優化設計模塊。在優化分析前，需要對優化標記點及相關標記點進行變量的設置，以實現模型的自適應調整。

五連桿機構中，最有優化價值的是連桿的連接點，因此專門對連接點進行了變量設置，供用戶優化，建立的對話框如圖11所示。用戶可以直接進行分析的變量一共有8個，分別是圖中所示的連桿連接處的X坐標，Y坐標。所有的變量范圍默認為-2至+2，同時用戶可以自行修改變量范圍。

圖11 優化設計對話框

優化設計模塊的優化流程如下：先點擊編輯腳本按鈕，進行優化腳本的編輯，然后點擊進入優化界面，系統彈出優化設計參數設置對話框，用戶進行相關設置后，即可進行優化。完成優化后，點擊完成優化，自動保存優化后的模型。

2.5 調試仿真模塊

此對話框是進行仿真調試和控制的對話框，如圖12所示，共分為3個部分，調試，仿真設置和腳本編輯及仿真。

圖12 調試仿真對話框

(1)調試部分。ADAMS中用戶修改部件后，會導致約束的標記點分離，因此需要自動調整各桿件的位置，以實現正確的裝配關系。為了實現這一目標，采用自適應調整功能來實現，即先用裝配分析將分離的約束點拉到同一位置，實現零件的重定位，然后再將此位置重新保存作為初始模型。

當用戶修改了部件，會使得模型的約束點發生改變，因此需要用裝配分析來調整約束關系。當裝配分析完成后，模型可能會處于不穩定狀態，因此需要進行一段時間的仿真使其達到穩定狀態，得到穩定的初始仿真模型。

(2)仿真設置部分。仿真設置的作用主要是設置各個作用力作用的時間，步數和大小。為了完成斷路器各種運動過程的仿真，共有四個作用

力，分別是合閘力、手動分閘力、脫扣器上的脫扣做用力、再扣力。一般仿真設置表示沒有這四個力作用下的仿真過程。

(3)腳本編輯及仿真部分。首先點擊開始編輯腳本生成仿真腳本，腳本不需要用戶手動填寫，只需要在供選擇的仿真過程中點擊相應的過程即可。生成腳本后，點擊開始仿真進行仿真，如果用戶發現過程有問題，可以點擊停止仿真，重新編輯腳本。當仿真結果后，用戶可以通過錄像回放查看仿真過程，并且可以將模型保存在仿真中的任何時刻，用戶只需要輸入對應的錄像幀數，然后點擊保存模型。

2.6 后處理模塊

通過仿真流程得到仿真結果后，用戶需要查看重要的仿真測量曲線，以了解仿真模型的性能，為設計改進提供依據。為了方便用戶查看仿真結果和對重要的變量進行比較，參數化模型制作了后處理對話框，通過它可以方便地查看結果曲線以及模型運動過程，如圖13所示。

圖13 仿真結果后處理模塊

3 結語

(1)利用ADAMS軟件包及二次開發功能，建立了某款塑殼斷路器機構的參數化設計模型，其用戶界面友好，一般產品設計人員可以直接使用。

(2)通過建立決定部件造型的標記點，然后對標記點的值進行變量和表達式賦值的方式，實現斷路器部件的參數化設計和約束的自適應調整。

(3)為了方便工程技術人員使用，采用在對話框編輯器中貼圖的方式，建立了人性化的中文輸入界面，通過界面即可方便地修改樣機模型。

(4)完成了多個優化設計模塊的添加，包括彈簧參數設置模塊，電動力聯合仿真模塊和優化設計模塊等。通過這些功能模塊，實現了從建模、參數設置、調試仿真、優化設計到后處理的完整的參數化設計仿真模型。

參考文獻：

[1] 陳德桂，劉慶江，康艷．塑殼斷路器操作機構分斷速度的影響因素[J]．低壓電器，2005(12)：9-12.

CHEN Degui, LIU Qingjiang, KANG Yan. Effect of Different Factors to the Operating Velocity of Molded Case Circuit Breakers[J]. Low Voltage Apparatus,2005(12):9-12.

[2]鄭建容．ADAMS虛擬樣機技術入門與提高[M]．北京：機械工業出版社，2002.

[3]ADAMS公司．ADAMS用戶使用手冊[M]．2010.

[4]吳翊，胡正勇，黃蓉蓉，等．萬能式斷路器操作機構運動特性仿真分析[J]．低壓電器，2011(2)：4-7.

WU Yi, HU Zhengyong, HUANG Rongrong, et al. Simulation and Analysis of Dynamic Characteristics for Operation Mechanisms of Conventional Circuit Breaker[J]. Low Voltage Apparatus, 2011(12):4-7.