突跳式溫控器用片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究.pdf

1、突跳式溫控器是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行控制的開(kāi)關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于飲水機(jī)、電飯鍋、微波爐、電烤箱等家用電器，其可靠性直接影響到整個(gè)電器的工作性能和產(chǎn)品檔次。目前，國(guó)內(nèi)溫控器產(chǎn)品的壽命普遍在十萬(wàn)次左右，與國(guó)外二十萬(wàn)次相比具有較大差距。為提升我國(guó)家電產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，亟需提高國(guó)產(chǎn)突跳式溫控器的可靠性水平。
　　對(duì)于突跳式溫控器這種開(kāi)關(guān)元件，接觸失效是最常見(jiàn)的失效形式之一，約占總失效數(shù)的80％。觸頭彈跳是開(kāi)關(guān)元件普遍存在的現(xiàn)象，是引起接觸失效的主要

2、原因，它造成觸頭機(jī)械磨損、引燃電弧、加劇觸頭電氣磨損和材料侵蝕，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使觸頭粘接在一起，將嚴(yán)重降低突跳式溫控器的使用壽命和可靠性水平。因此，研究突跳式溫控器的觸頭彈跳現(xiàn)象，分析其主要影響因素，可為抑制觸頭彈跳，評(píng)判片彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果提供依據(jù)。
　　片彈簧是保證突跳式溫控器正常工作的關(guān)鍵元件之一，其機(jī)械特性參數(shù)對(duì)突跳式溫控器的操作性能和觸頭的彈跳性能都有較大影響。目前，在對(duì)片彈簧的機(jī)械特性進(jìn)行求解時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用基于小

3、變形理論的計(jì)算方法，忽略片彈簧屬于薄壁元件，在彎曲變形過(guò)程中出現(xiàn)幾何非線性問(wèn)題的特點(diǎn)，因此得到的求解結(jié)果并不符合片彈簧的實(shí)際情況。本文利用幾何非線性有限單元法對(duì)片彈簧的機(jī)械特性進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，對(duì)片彈簧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善觸頭的動(dòng)態(tài)彈跳性能，這對(duì)提高突跳式溫控器的可靠性水平具有實(shí)際意義。
　　本文以KSD301型突跳式溫控器為研究對(duì)象，首先研究其觸頭彈跳現(xiàn)象，并分析片彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)觸頭彈跳的影響情況，然后對(duì)其片彈簧的機(jī)械特

4、性進(jìn)行計(jì)算，最后以片彈簧的預(yù)壓力在滿足約束范圍時(shí)取最大值為目標(biāo)，研究片彈簧結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一章，闡述了論文的研究背景和意義，綜述了觸頭彈跳現(xiàn)象的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，概述了當(dāng)前電接觸裝置中片彈簧機(jī)械特性的數(shù)值求解計(jì)算方法及存在的問(wèn)題，最后給出了論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，首先簡(jiǎn)要介紹了突跳式溫控器的結(jié)構(gòu)、主要組成元件和動(dòng)作原理，然后建立了用于分析觸頭彈跳的剛-柔耦合仿真模型，得到觸頭彈跳時(shí)的

5、速度、位移曲線和動(dòng)靜觸頭間的接觸力。最后，為對(duì)比說(shuō)明仿真模型的準(zhǔn)確程度，利用激光位移測(cè)試方法對(duì)突跳式溫控器觸頭彈跳時(shí)的位移進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明仿真模型具有足夠的精度。
　　第三章，以觸頭的彈跳參數(shù)為指標(biāo)，以片彈簧的主要結(jié)構(gòu)尺寸為因素，利用正交試驗(yàn)法和方差分析，研究了片彈簧的各主要結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)觸頭彈跳的影響。
　　第四章，利用幾何非線性有限單元法對(duì)片彈簧的機(jī)械特性進(jìn)行分析計(jì)算，求得片彈簧的受力變形曲線;通過(guò)對(duì)片彈簧進(jìn)行實(shí)物測(cè)

6、試得到的試驗(yàn)結(jié)果和基于小變形理論的求解結(jié)果，驗(yàn)證了幾何非線性有限單元法在計(jì)算片彈簧機(jī)械特性上的可行性和準(zhǔn)確性，為片彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論計(jì)算方法。
　　第五章，首先利用幾何非線性有限單元法對(duì)片彈簧的預(yù)壓力、剛度和最大應(yīng)力等力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行求解，然后，建立以片彈簧的預(yù)壓力為目標(biāo)函數(shù)，以剛度、最大應(yīng)力和尺寸約束為約束條件的優(yōu)化模型，利用MATLAB軟件中的fmincon優(yōu)化函數(shù)對(duì)片彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。最后通過(guò)仿真方法對(duì)比了優(yōu)化設(shè)