[科普中国]-柔性杆

柔性杆手动操作机构设计

低压塑壳断路器装在配电柜中，当合分闸时，工作人员直接使用断路器手柄操作不是十分安全，现有的正面手动操作机构安全距离也不大。目前国际上尤其是发达国家，逐渐开始使用一种柔性杆侧面手动操作机构(FlexHandleMechanism，FHM)。侧面手操指在断路器侧面进行手动操作，而柔性杆是可以有较大弯曲程度的连杆，通过手柄远距离带动断路器合分闸。柔性杆手操能够有效地执行安全合分闸操作，从而保证操作人员的安全。在低压电器发展过程中，如何进一步提高我国低压电器的自主创新与研发水平，掌握关键的核心技术，增强产品的国际竞争力，促进电器事业不断向前发展，成为研究机构和生产企业所面临的重要问题。

柔性杆的设计柔性杆手操的手柄可以固定在配电柜任意位置，使得手柄和断路器不会过于接近，防止断路器电击或者故障时产生的电弧等对人生安全造成危害，从而保护工作人员。在汽车行业中，柔性杆其实就是广泛应用于汽车上的拉索，主要是人力来控制，包括按、拉、踩等动作。例如，汽车上的行李箱拉索、油门拉索、离合器拉索。这种拉索的最大力承受范围是人力操作。各种汽车拉索以及在汽车上使用的分布图

操作机构的设计受力分析

展示了F手操手柄通过连杆最终传递给F断路器手柄的过程。力的大小可通过设计连杆长度来控制。。可动杆在固定套管的范围内运动。固定螺纹是用于固定在机构上的。柔性线部分是可以弯曲的。柔性线内部是可动钢丝和外圈钢丝，可动钢丝连接着可动杆运动，而外圈钢丝则起到加强强度的作用，可动钢丝和外圈钢丝中用塑料套隔离，最后全部封闭在橡胶套中。汽车拉索已经几近标准化，对柔性杆的选取应根据断路器手柄的操作力和寿命要求适当选取。例如某家厂商的拉索，型号分别是X5、X6、X83种，可以对应使用在某一系列的断路器中，如表1所示。根据实际结果，考虑到经济成本，M1、M2选取X5，M3、M4、M5选取X6，M6选取X8。故柔性杆部件不用刻意设计，按需选取即可。另外，柔性杆的长度也是可选的。于手柄在每个位置的力都是在不断变化的，借助ADAMS仿真设计软件计算出了某系列柔性手操力的传递关系，如图5所示。

运动分析

通过ADAMS的运动分析所示。以某系列的柔性杆手操为例，分析各零件运动行程，手柄转动142°后，L型杆转动50°，L型杆上的柔性杆线头移动31mm，柔性杆推动断路器手柄移动31mm，断路器手柄完成合分闸操作。通过计算，可以配合手操手柄和断路器手柄，保证手操手柄在极限位置时，断路器手柄也在合分位置。考虑到寿命操作中零件的磨损，手操手柄转动角度需要一定的余度，防止磨损后无法正常操作断路器合分。

强度分析

其中c1和c2装配后刚性连接，是因为分别属于手柄部件和手柄侧机构部件而特意拆分成两个零件，便于安装。以下缺少的零件e为柔性杆，不作分析。通过分析发现，此款产品的薄弱点在于零件c1和零件f上最大应力为34．7MPa和30．6MPa。两个零件应力比较大，并且会按照图示的弯曲变形趋势运动。薄弱的零件需要增加材料厚度和宽度，或进行热处理增加强度。

开柜门自锁保护

柔性杆手操与柜门配合还可以实现开柜门自锁保护。，打开柜门时，摇臂带动凸轮转动，止动杆被弹簧顶起，卡在凸轮的卡槽内，手柄无法合闸。，当柜门关闭，柜门上的限制杆挡住了止动杆，无法自锁。这样的设计能保证打开柜门后不能合闸，从而保护开柜后操作人员的安全。1

柔性杆与凸轮柔性杆与凸轮斜碰撞特性分析由于柔性体系统的广泛工程应用背景,如航天器交会对接过程中发生的碰撞问题,飞机起落架与地面的冲击问题,在交通事故中车辆与人体、侧墙和栏杆的碰撞等,柔性体系统的接触碰撞动力学问题是现阶段系统动力学领域的研究热点和难点之一.要更好地解决柔性体系统的接触碰撞问题,高精度的动力学建模是非常重要的.

近年来,许多国内外学者在柔性体系统碰撞动力学的建模理论、仿真计算、接触碰撞试验等方面进行了的大量研究,并取得了一系列的成果.例如,伍新等以一类三自由度含间隙双面碰撞振动系统为研究对象,在不改变原系统平衡解结构的前提下,考虑到在碰撞振动系统反控制过程中由Poincaré映射的隐式特点和传统的映射Neimark-Sacker分岔临界准则带来的困难,通过对原系统施加线性反馈控制器并利用不直接依赖于特征值计算的Neimark-Sacker分岔显式临界准则研究了此系统的分岔反控制问题.和兴锁等建立了具有大范围运动和非线性变形的柔性梁有限元动力学模型,该模型增加了新的表征纵向、横向、侧向弯曲以及扭转变形的耦合项,同时包含了变形运动与大范围运动之间的相互耦合项,使得计算更为精确.

Ding等研究了Galerkin方法计算具有非线性黏性阻尼的弹性梁动力学响应时的收敛性,给出了相关收敛性确定方法.但是由于柔性体系统碰撞过程的强非线性、高度耦合、数值计算困难等问题,目前的研究还远未成熟,能否对碰撞的过程进行正确处理是解决柔性体系统碰撞动力学问题的关键.按照对于碰撞过程假设的不同,可以将柔性体系统的碰撞动力学建模方法分为接触约束法、连续接触力法、冲量动量法等几种方法,但都各有优势和相应的局限性.

对于柔性杆和凸轮的碰撞系统,其接触点会随着凸轮的转动发生变化,两者之间不仅在接触面法向存在一个单边约束,而且在切向还有一个摩擦约束,属于典型的斜碰撞问题.相比正碰撞而言,斜碰撞的瞬态特征更加复杂,切研究了此系统的分岔反控制问题.和兴锁等建立了具有大范围运动和非线性变形的柔性梁有限元动力学模型,该模型增加了新的表征纵向、横向、侧向弯曲以及扭转变形的耦合项,同时包含了变形运动与大范围运动之间的相互耦合项,使得计算更为精确.

Ding等研究了Galerkin方法计算具有非线性黏性阻尼的弹性梁动力学响应时的收敛性,给出了相关收敛性确定方法.但是由于柔性体系统碰撞过程的强非线性、高度耦合、数值计算困难等问题,目前的研究还远未成熟,能否对碰撞的过程进行正确处理是解决柔性体系统碰撞动力学问题的关键.按照对于碰撞过程假设的不同,可以将柔性体系统的碰撞动力学建模方法分为接触约束法、连续接触力法、冲量动量法等几种方法,但都各有优势和相应的局限性.对于柔性杆和凸轮的碰撞系统,其接触点会随着凸轮的转动发生变化,两者之间不仅在接触面法向存在一个单边约束,而且在切向还有一个摩擦约束,属于典型的斜碰撞问题.相比正碰撞而言,斜碰撞的瞬态特征更加复杂。

柔性杆与凸轮斜碰撞动力学建模考虑在水平面内运动,由中心刚体、正交各向同性材料构成的等截面柔性杆和凸轮组成刚柔耦合动力学系统,.半径为a的中心刚体可以绕点O转动,为其转角,柔性杆与中心刚体在o点固结,半径为R且圆心在B点的偏心圆轮绕旋转中心C以恒定转速!顺时针旋转.通过O点和o点分别建立固定坐标系O-XY和旋转坐标系o-xy,x轴反向延长线过O点,y轴沿o点的切线方向.考虑柔性杆的回转运动,将 所示的刚柔耦合动力学系统分成两部分,一部分为中心刚体,另一部分为柔性杆.中心刚体绕O点的转动惯量为Ih;柔性杆的密度为,截面积为A,长度为L,拉压刚度为EA,杆的抗弯刚度为EI,杆未变形时对转轴O的转动惯量为Job.2

双柔性杆概述杆碰撞现象普遍出现在工程机械和工程结构中。例如冲击锤机械系统中软锤和硬杆之间的撞击回弹现象、撞击铆接机中活塞和冲锤之间的撞击、分离式Hopkinson杆材料动态性能测试中撞击杆、输入杆与输入杆之间的撞击，以及在水平地震作用下邻桥桥面间的沿桥向碰撞。

柔性杆的碰撞总是先在接触区域附近产生弹塑性变形，然后以波的形式向整个杆中传播。由于涉及材料的本构关系，弹塑性应力波的传播、碰撞与分离状态的切换等强非线性特征以及杆碰撞引起的动力学响应十分复杂，很难获得理论解，目前主要依赖于数值和实验研究。动态子结构法通过缩聚系统自由度，大幅度提高计算效率，已经被广泛运用于振动分析中。WuSC和HaugEJ采用约束删除—添加技术将动态子结构方法首次应用于弹性单杆—单梁碰撞问题。郭安萍、洪嘉振和刘锦阳等研究刚性质量与弹性杆的碰撞动态子结构方法。近年来，沈煜年、骞朋波和尹晓春等进一步发展出可应用于柔性杆和柔性梁碰撞弹塑性波传播的动态子结构方法。但是，到目前为止，动态子结构方法还仅局限于刚性质量与单个柔性杆或单个柔性梁的碰撞问题。

针对双柔性杆轴向碰撞问题，考虑杆的弹塑性波传播，推导动力学控制方程，通过建立动态子结构模型，提出双柔性杆轴向碰撞的动态子结构方法。数值计算结果表明，该方法可以合理、准确地计算杆的弹塑性动力学响应行为和弹塑性波的传播特性。

算例仿真与分析针对碰撞系统，设计悬臂杆为铝合金杆和线性强化材料，长度l1=0.3m，横截面积A1=0.0001m，密度ρ1=2700kg/m，屈服应力Y1=50MPa，弹性模量E1=70GPa，塑性硬化模量E1t=17.5GPa。设计自由飞行杆为钢杆和线性强化材料，长度l2=0.3m，横截面积A2=0.000144m，密度ρ2=7800kg/m，屈服应力Y2=200MPa，弹性模量E2=200GPa，塑性硬化模量E2t=50GPa，自由飞行杆的初始速度v0=－10m/s。采用Newmark隐式积分法，结合考虑平衡校正的欧拉增量方法，分别求解控制方程。为了准确考虑杆的波动效应，要求单元长度le和积分步长间t间满足le≥(5～10)tC(C为波速)。由于悬臂杆和自由飞行杆的材料不同，定义η为悬臂杆弹性波速与自由飞行杆弹性波速的比值，则η=1.0184，它接近于1。因此，可以离散悬臂杆和自由飞行杆为相同的单元数。

碰撞力和位移响应设置杆中子结构单元的离散数n=5，只保留2阶固定界面主模态，分别取各杆的子结构数等于1、2、4和10，计算碰撞力和位移响应。由于碰撞力是位移的二阶导数，变化更为迅速和复杂，对数值计算方法更为敏感，因此，通过对比三维弹塑性动力有限元的计算结果，讨论本文动态子结法DSM(DynamicSubstructureMethod)对碰撞力的数值收敛性和计算精度。在不同计算子结构数下，碰撞力的响应曲线。

计算结果表明，弹塑性碰撞力对于子结构数目是收敛的。若参考FEM(FiniteElementMethod)计算的结果，则当d=4时，动态子结构方法已获得较好的收敛结果。子结构的选取原则为:结构本身的形状，一般划分后的子结构的形状尽量趋近于线段、矩形或立方体。显然一个复杂结构一般要划分更多的子结构，但本文的研究对象是等截面杆，子结构本是就是线段。要根据撞击问题子结构法中的子结构收敛曲线确定最终的子结构数。本文根据收敛性研究，选择将杆件均划分为10个子结构，计算图6所示的碰撞力响应。在整个碰撞过程中，DSM计算得到的碰撞力的变化形态、幅值和碰撞结束时间，均与FEM的计算结果相吻合，说明本文提出的动态子结构方法具有较高的碰撞力计算精度。但是，DSM计算所需要的自由度数目为2d×2n+1×2=204个，远少于FEM的计算自由度数，FEM的自由度数=节点数×节点自由度=20000×3=5kN，从而在悬臂杆中产生塑性变形。而且，在整个碰撞过程中，悬臂杆经历了数次加载和卸载过程。

瞬态波传播与FEM的计算结果的比较表明，两者的波形和数值都相当吻合。碰撞发生后的60μs内，碰撞速度(v)波在自由飞行杆和悬臂杆内传播的情况。计算结果表明，悬臂杆的位移波存在传播速度不同的快波和慢波，自由飞行杆中只有一个速度位移波。速度波的传播可以将杆明显分为速度扰动区和非扰动区，表明DSM的计算结果可以展示速度波传播的瞬态特征。

将DSM的计算结果与FEM的计算结果相对比，可以发现悬臂杆的速度波形和数值相吻合。但是，由于FEM方法采用三维杆模型，能够考虑横向惯性效应，计算出横向惯性效应引起的自由飞行杆速度波形的振荡。而DSM采用的是St．Venant杆模型，没有考虑横向惯性效应，不能计算出该速度波形的振荡，从而使两种方法的计算结果出现差别。但是，DSM计算出的自由飞行杆的基本速度波形仍然与FEM的相符合。由于的悬臂杆速度波清晰地划分出快波和慢波，根据波形计算结果测算出的快波波速为5082m/s，慢波波速为2586m/s。它们与理论弹性波速度CF=(E1/ρ1)=5092m/s和理论塑性波速度CS=(E1t/ρ1)=2546m/s非常吻合。而由速度波形测算出的波速为5063m/s，也与自由飞行杆的理论弹性波速度Ce2=(E2/ρ2)=5064m/s非常吻合。给出碰撞发生后的60μs内，轴向应力(σ)波在自由飞行杆和悬臂杆内传播的情况。

计算结果表明，悬臂杆中存在两个传播速度不同的弹性应力波和塑性应力波，自由飞行杆中只有弹性应力波。在悬臂杆中，最大塑性应力为84MPa，在自由飞行杆中，最大弹性应力为59MPa。由于弹性应力波的传播速度更快，使得弹性波阵面和塑性波阵面之间形成一个明显的应力平台，该平台的应力就是悬臂杆的屈服应力Y1=50MPa。DSM和FEM的应力波形的计算结果基本吻合，但是，自由飞行杆的横向惯性效应引起的波形振荡，由于DSM方法采用St．Venant杆模型尚没有考虑。在悬臂梁固定端，弹性波将发生反射。由于约束效应，应力幅值将会发生突变。该突变应力的数值计算结果为74.42MPa(0.18ms时刻)，与理论值Y1(CF/CS+1)=75MPa相符合。固定端反射的弹塑性波与迎面而来的入射波将产生卸载效应。随着时间推移，界面反射出的各种波，将杆内发生内碰撞，使得应力波形越来越复杂，最终导致复杂的碰撞动力学响应。3