Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния интенсивно нагруженных электрических контактных соединений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

рг6 од

2 3 шоп ш2рьшсш политехнический институт

На правах рукописи

Пвтономова Людмила Владимировна

рйзработкй методики РАСЧЕТА НйПРЯИЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО состояния

интенсивно нагружённых электрических контактных соединений

T0i.02.06 — динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993

РабЬта выполнена на кафедре "Сопротивление материалов" Харьковского политехнического института

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Хавин В.Л.

Официальные оппоненты

член-корреспондент ЙН Украины доктор технических наук профессор Подгорный А.Н.

кандидат технических наук, доцент Кринук Н.Г.

Ведущая организация - Украинский научно-технический Центр

Харьковский Физико-технический институт

Защита диссертации состоится " " ивня 1993 года в " " часов на заседании специализированного совета Д 068,39.06 при Харьковском политехническом институте (310002 Украина, г.Харьков, ул.Фрунзе 21).

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " "мая 1993 года.

Яченнй секретарь специализированного совета

товой В.В

. ОЕЩАЯ ХАРАКШ4ШШКА РАБОТЫ

Акт/адьисють. Е современней течнюке и прошилгнйости многие .элементы конструкций рабстакт ■ в условиях взаимодействия полей (ьадичкой .природы: температурных, электромагнитных, ц механических-. : ' ' • ' ■ '

При проектировании оаЕ'рймвнкыл контактных соединений, когда величины токов, протекающих ч&реэ контакты, могут достигать в импульсных решит сотен кшюамлер, па-за кратковременности процесса возникают большие трудности при проведении измерении температурного пол а, вовникаюш.ил в процессе работы напряжений и деформаций. Кроме того,, экспериментальные исследования .приводят к большим материальными затратами, В связи с этим» представляется целесообразным . проведение теоретических . исследований связанной аадачи электротермомеханики электрических контактов для изучения тепловых и механических процессов и выработки рекомендаций по их проектирован!!». ■

Цельюшработы является создание и внедрение в исследовательскую. практику методики'анализа и алгоритмов расчета контактного взаимодействия электрических пар. контактов, подвергающихся интенсивным термоыехаяическим и электромагнитным-воздействиям, а также алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для расчета двумерных связанных задач. -.

Научная но'вивка диссертационной работы заключается в следующем: ' ... ' *

1. Разработана методика расчета электротермомеханического состояния сильноточных контактных соединений, учитывающая связанность протекающих физических процессов. ..'•'••

2. Выполнена исследование влияния неоднородности контактного-

- 4 - \ .' • ^ " слоя на термомеханическое состояние и работоспособность электри- . че-екнх контактных соединений. '"...'•

3. Предложена модель, одновременно-учитывающая зависимости переходного электрического к теплового контактного сопротивлений : от величины контактного давления и состояния поверхности.

4. Проведены исследования оригинальных электрических раеъ- • емов стеллараторов и навесных зажимов .шинопроводой для промышлен- .. ных установок. - ■

5. Разработаны рекомендации для конструирования токовых разъемов, подвергающихся интенсивным механическим воздействиям и выбора режимов эксплуатации.

6. На основании изученных моделей предложены новые решения и конструкции сильноточных контактных соединений, '. защищенные ав- / •горскими свидетельства«!, .,

'. Достоверность расчетные методик, выводов и рекомендаций подтверждается:. ' - . ' ■ _

сравнением результатов- численного . эксперимента о .Известными .точными и приближенными решениями ряда контактных задач; \ - удовлетворительным • согласованием . результатов ' расчета,, н.'д.с. 1 гнездового зажима с данными натурного .тенааметрирования. ' .. ■ - Практическая ценность полученных результатов '.,' заключается в ■ создании эффективной методики и программного обеспечения, ' позволяющих исбледовать, в двухмерной постановке распределения незави-' . . сшых либо связанных характеристик электрического и.'тёплового по-, •лей, .напряженно-деформированного состояний объектов сложной' кон-

.фИГУрЗШЛ. . . V 1 V. ■ ■■■' . ■ . •

, Разработанные методики, ' матобеспечение, выводы и рекоменда- : ' ции' по проведенным .исследованиям внедрены"в Физико-техническом-.; ■ институте Академии Наук Укр'аины^. при проектировании и создании .

. ■.'""' - Б -' / ;..... .

разъемных \ контактных" соединений магнитной системы стелларатора . У-2М для экспериментальной установки термоядерного синтеза. . •

Методика решения связанных контактных задач' электромагните- . термоаластикн .. внедрена: в практику научных исследований НИИ "Электроапларатостроения" г.Сайкг-Пегербург..' Предложенный подход позволил провести сравнительный анализ работоспособности равлич-. ных конструкций соединений, осуществить выбор конструкций и рекомендаций по эксплуатации. : , • .; . • ..'."•.

-. ■ На 'защиту.выносятся следующие основные положения работы: .• *'.".'•. . 1. Методика и алгоритмы решения прикладных, контактных вадач №3 для систем деформируемых и- тешюпрсводящих' дЕумерных .тел, подвергающихся воздействию внеших нагрузок и'электрического то-

■ -ка-'- ■'• . ■ ' ■ ". ■ '.. ••.•-•.'. . '■ '; ' . ;

2. Модель контактного вваю/одёйотвия деталей электрического 'соединения,., реализующая граничные условия и обеспечивающая связанность краевых задач в рамках единого вычислительного процесса. • Рекомендации но ивменению конструкций разъемов, позволяющие улучшить- их работоспособность и,увеличить срок службы. . . ,,',.. ' ; 'v 3. Численные исследования, алектротермомеханического состояния. узла разъема сгелларатора У-2М и навесных гнездовых , зажимов, . .а также рекомендации по проектированию и выбору режимов эксплуатации." . .„•■■.,• ....

Апробация работы. Ооновныэ- материалы работы докладывались и обсуждалиоь на:. III Эсесоюеной конференции "Смешанные'задачи теории упругости", (г.Харьков, 1984 г.), Четвертой (1987 г.) и Пятой' "(1990 г.) Всесоюзных конференциях,по июненернш проблемам термоя-; дерньи. реакторов", 17 Воесовэной конференции "Смешанные задачи механики деформируемого"твердого тела (Одесса, 1989 г.), Всесоюзных ' семинарах... "Электрические контакты и электроды" (Клев - Одесса .

' / " ' ■ ' 6 _•-••••;■■•"• - .......

• 1333г., що г.), на Республиканской научнс-техишеокой конферен-при "Качество и надежность углов тр?нш" (г.Хмельницкий; 1992 г.).

Публикации. Но материалам диссертации.опубликовано 12 работ, включал 4 статьи л 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,-'-четырех разделов, заключения, списка литературы, вклкчэгсшего 143 наименований; содержит 40 рисунков,'3 таблицы- всего 143 страницы ,

ОСНОВНОЕ .СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

' '.;ЕО введении обоснована актуагьнасть темы диссертационной ра-бгти, ее научная и практическая значимость, сформулирована цель работы. ■-.'-■

' В первой главе проведен анализ выполненных к настона-ему времени исследований по контактному'взаимодействию в-сложных вгаимо-дейотвукщш: поляк- .различной .природы (механических, тепловых, ¡электромагнитным). Приведены данные о различных подходах к изучаемым -процессам, основные'результаты, полученные как аналитическими, 'гаи и численными методами. '. Особое внимание уделено моделям контактирования, реаяаесванных методом конечного элемента. Это обосновано больней гибкостью и возможностями этого метода численного моделирования.. ..*_'•.

Следует отметить, что рассмотренные алгоритмы решения прикладных контактных 'задач ориентированы' на.задачи определенной физической природы, \ 'в которых не учитывается взаимосвязь протекающих процессов. Поэтому сделан вывод о необходимости создания эффективно;"! методики решения' кйнтактных связанных -задач электротер-моупругости й пластичности, учитывающей одновременно сложную гео-метрш и различную' физическую природу воздействия на контактирую-

" ' • ' : 7 - : ' . ; "•" ' , - - - - -

1ди& тела. Отмечена целесообразность построения алгоритма ..'объединяющего процессы отыскания неизвестных и учета различного рода. нелинейностел в рамках единой итерационной схемы. Отмечена практическая направленность и значимость таких исследований для анализа электротержэмеханнческого состояния реальных конструкций и " их проектирования.

Во второй главе рассмотрена постановка гадачи. . . •

Б сбцем случае система уравнений,, списывающих . исследуемый • класс задач, включает в себя: уравнения электромагнитного поля и' законы сохранения импульсов, энергии (энтропии) и момента количества движения. ....•..': .■'• ■ '' При получении разрешающей системы уравнений были . приняты следующие допущения: "....'''. '

- ограничена длительность рассматриваемых процессов от 0;01 до 10000 сек; ; „

г пренебрежимо мало влияние процессов поляризации и намагничива-• ния (е-д-1); ' ' ' '•' .

.- электромагнитное поле в каждый момент времени Ь. сохраняет структуру стационарного поля, изменяясь только по величине (сЮ/сИ«;); р-0 и ДЬ>е/б);

- влияние термоэлектрических эффектов на тепловыделение в контактной зоне мало; . .

-работа сил деформирования и-сил Лоренца много меньше энергии тепловыделения (рсу<1Т/сЛ>б1:|*£1 ^ и 3*Е»3*0*ВЗ);

- не учитывается влияние геометрической нелинейности;

- влиянием объемных инерционных сил пренебрегаем;

- зависимость физических параметров-от температуры в рассматрива- .. емом диапазоне температур не учитывается;

- исследуются двумерные постановки задач.

Исходя и'е перечисленных ограничений основные- уравнения . '■ описывающие протекающие процессы сводятся.к следующим:

- уравнение•квазистатического электромагнитного поля ;

, (1)

- уравнение нестационарной теплопроводности ...

рСуэГ/зЫИуХдтаЗТ+З2 (г, ' з(гД)-10а)*(-ггаа?/рв) (2)

- уравнения квазистационарной механики твердого тела.

. . . с61к/вхк-0; (шк/эх^эи1/вхк)/2} б'^-б^1; " ; ' • " э^п/э^э^эЧ^э^ае^-эЧ^з^з^-эЧм/з^а^-О " йли уравнение Дюгамеля-Неймайа для формулировки задачи в первые- ; цениях: ,'

и уравнение состояния (Прандтля-Рейсса):.

d£lj-Cdбirv(ЗdбгiJ-dбJj)]/E+3.d£иp(бir6eiJ)/2б^rt«tdтSiJ Связность раёрешагацей системы уравнений следует из завися- '; •мости контактных сопротивлений (электрического и термического)-от. . величин соответствующих напряжений на контактной, поверхности в . 4 контактных-граничных условиях: \ \ ' '■

(91-5>2)>б1(3?1/5П)-Кв(6н)! .: , (Т1-Т2)/Х1 (аГ17оа)-НЬ(б1 ^) ,' '^ (4)

Контактные сопротивления зависят.также-от качества.обработки, по-.верхностей, свойств среды в зазоре и ряда Других параметров. "

В начальный момент времени йо должна быть также задана - кон. фигурация контактного соединения, начальные напряжения'б11о(г,0), ... температура,. распределение' платности токов, термомеханичёскйе и ' электромагнитные свойства сред (теплопроводность, проводимость, плотность,'.упругие постоянные.и пр.). X: -.. - -

■ . Граничные условия аадаютая.в интервале времени. 10,ЬЗ, . в ко - ■■

тором происходят наблюдаемые электротермомеханические процессы. В качестве граничных условий уравнения электромагнитного поля используются условия Дирихле, Неймана или Коши, для уравнения теплопроводности - граничные условия 1-го, 2-го, 3-го и 4-го рода и для уравнений теории упругоплзсгичности: .заданы компоненты перемещений Ц1-и(гД)); заданы напряжения р1-^11^ и смешанные уело-' вия, а также граничные условия, для тачек, лежащих на границе раздела 'контактирующих поверхностей в следующем виде: ц^-щ2 (для . зоны ..прилипания - .Со) и закон трения Кулона в*-^к, (для зоны скольжения , где-б;,- напряжение трениябПгг нормальное дав. ление, Г - коэффициент трения в приконтактном слое;, условие неп- • роникковения тел друг в друга (и^-а-н^-ц-ЗО^О и бпи<0, где цП1-1,иП14-1, 51"- перемещения точек и начальный натяг" в направлз- " нии-общей нормали к контактной.поверхности. '..'■'

Граница между зонами ' прилипания Ео и скольжения' Еу заранее не известна, и подлежит определению в процессе решения- задачи,-• Также подлежит определению и граница - Ер между упругой и пластической областями, которая заранее не известна. Для этого исполь- -аугатся условия пластичности Губера-Мизеса. .

, '.' В общем случае поставленная задача является связанной, по ... граничным условиям. Однако., в рассматриваемом диапазоне воздействий нелинейность параметров (по температуре) не существенна..

'.Численное, решение выполнялось на базе эквивалентной вариационной постановки задачи алектротермопластичности, для которой 61*0, где Л - функционал соответствующей задачи. Приведем вид функционала для кажддй из задач системы уравнений злетротермоп-1 . даотичности: , ;.■'

- для'задачи теплопроводности .. ." ' "•..

: J(T)-ÍX*(gradT)zdv/г+ípoT*CзT/зt)dv-ifaTdv+ .;' ■'. ,

' - . - . ■ : - ю - ' -'.у ...... " -- ■..

'•/-'• ' ' +I(Т?* -оОМза+^Тйз :Г йк (Т2-Т1) , где - поверхность, "на которой задан тепловой поток; ээ -поверхность с условиями конвективного теплообмена; 31< - контактная поверхность; 1'а-- мощность внутренних источников тепла; 0 / тем-, нература окружающей ср.еды;' а - коэффициент теплоотдачи; •- для задачи электромагнитного поля

где'ф'- потенциал; б -'электропроводность;'- поверхность с заданными токами; Ек - электрическое переходное сопротивление; - для задачи контактного механического взаимодействия

J-iWAei jdv7S'SiUidsrl+ífл¡бvp_1 где V/1 .-'потенциальная энергия деформирования; и! н вц - компоненты вектора перемещений и тензора деформаций, соответственно;

на границе зп; 1 -коэффициент трения на границе эк; - вектор относительных перемещений, контактирующих тел. ' Записанные вариационные формулировки позволяют привести поставленную задачу к некоторой экстремальной задаче, численная реализация которой-,выполняется стандартными процедурами вычислительной математики. Решение, вариационной задачи осуществляется МКЗ на единой сетке • треугольных элементов, с билинейной аппроксимацией, искомых функций.' . • ., .• '

Для численной реализации граничных условий в контактных зонах вводился слой 'беотолщнниых контактных элементов с параметрами, учитывающими неоднородность электрического 'и термического контактных сопротивлений, трение и проскальзывание'на поверхности. На баге такой ыодели-формировались "модифицированные системы матричных уравнений. №3;' ' „

В третей главе описан.алгоритм решения и структура программного обеспечения для решения связанной задачи алектромагнптотер-

. ■; , •■■• ii ■ • ; ' мопластичности и рассмотрен ряд тестовых задач, подтверждающих .' надежность его программной реализации. . . ...

Суть алгоритма расчета заключается в следующем:

1. На первом этапе рассчитывается н.д. с. контактного соединения без токовых и тепловых нагрузок. Определяются величины начальных термического и электрического контактного сопротивления. Поскольку наиболее инерционным из рассматриваемых; физических полей (электромагнитное, тепловое и механическое) является тепловое, то последующие временные итерации выполняются по минимальной величине временного шага, обеспечивающего устойчивость решения уравнения теплопроводности. ■.'•...

2. Затем выполняется расчет электромагнитного поля в квазистатическом приближении, 'т.е. для каздого временного шага находится

• решение урзвнения-электромагнитного поля (методам последовательных • приближений: после вычисления' поля для произвольно заданных постоянных , определяется ток на электродной площадке, и начальные ■ 'значения постоянных изменяются пропорционально соотношению полученного интегрального тока и заданного тока на электроде). Зависимость плотности тока, от времени пропорциональна амплитуде йм-. пульса тока на соответствующем шаге по времени.

3. По найденному распределению плотности тока определяются плот. ности 'источников джоулева тешловыделеяия, причем их зависимость

от времени пропорциональна квадрату значения плотности тока на соответствующем шаге по времени. То есть, определяется временная зависимость объемных источников тепловыделения для дальнейшего . рёшения нестационарной задачи теплопроводности.

4. Далее определяется термомеханическое н.д.с. по известному распределению температур и внешних усилий на каждом' временном шаге.

'Б. Рассматривается влияние, результирующего . н.д.с. на величину ■ контактного сопротивления, как теплового,„"так и электрического; что вызывает изменение распределения токов и температур в зоне' контактирования.иа каждом временном шаге. По изменению этих пара-■ метроЕ выполняется дополнительный цикл итераций расчета электро- .. магнитного и теплового полей для соответствующего временного' шага., ' ■ ^ .'

. Расчет электрического и теплового полей завершается,, когда -различие в распределении полей при .последующи итерациях. становится пренебрежимо мало. Поскольку наибол'ее инерционным из расо- '" матриваемых физических полей '(электромагнитное,, тепловое и механическое) является тепловое, то итерации выполняются по минимива- ■ ции ошибки расчета этого поля, после чего рассчитывается окончательное.н.д.с. ■ на данном временном иаге, включая определение зон контактирования и пластичности. '■'

б. Вышеизложенна^ процедура повторяется на каждом последующем таге времени протекания импульса тока.

. При создании математического обеспечения для решения такого' класса .' контактных задач в качестве базовых программных модулей были использованы разработки Киевского политехнического институ-. . та. Открытая структура этих программ позволила подключить . управ- . ляющий итерационным процессом программный 'блок и дополнительные программы, реализующие приведенную модель контактного взаимодейс- . теня и постпроцэссорной обработки результатов, чтобы реализовать , вышеизложенный алгоритм расчета/

Ориентация работы .на создание специального . программного. обеспечения,-реализующего вышеизложенный алгоритм, предопределяет внимание к вопроса!,I сходимости решений итерационны}-: задач.-

Учет неликейнсстей, Ьбуслсвленных неупругим поведением мате- -

; ' . ...... ■ ..... ."/ ' , 13 ; ' " .

■ риала соединений, изменением границ контактных площадок и условиями фрикционного взаимодействия выполняется по единой итерацкон-. ной схеме метода переменных параметров упругости. Последовательность итерационных .приближений при решении упруголластической задачи. завершается при" выполнении условий схСдиыости по пластическим деформациям и стабилизации участков контактирования и проскальзывания. '

Учет нестационарности задачи теплопроводности выполняется о применением конечно-разностного подхода. Условие сходимости для двухслойных конечно-разностных схем выполняется безусловно при ограничении весового множителя снизу величиной О,Б.' Для уотране- . ния осцтляций решений временной шаг ограничивается сверху с Учетом выбранного весового множителя. ' '

• использование приведенных схем расчета в' поставленной задаче обеспечивает быструю сходимость решения при небольшом числе итераций.

Рассмотрены тестовые задачи;

- токораспределения для соединения плоских шин с двухступенчатыми . стыками;

-' упругого деформирования неравномерно нагретой кольцевой области, решения которых сравнивались с известными аналитическими;

- нелинейная задача нестационарной теплопроводности для двухслойной пластины;

- контактная задача для упругих тел конечных размеров с учетом трения, решение которых сравнивалось с экспериментальными и численными результатами, полученным другими авторами.

Для указанных тестов было получено хорошее соответствие'из--вестных результатов о полученными в работе.

• В четвертой главе приведены конкретные примеры применения

■предложенной методики /решения связанной задачи электротермоплас-'

тичности.'..... • ■' '

Первый рассмотренный пример связан с проектированием установок термоядерного синтеза, в которых магнитное поле создается, криволинейными разъемными винтовыми обмотками и используются контактные' соединенна, подверженные воздействию псндеромоторных нагрузок и температурного поля.

Основной элемент обмотки - узел разъема У-2М (рио.1) представляет собой контактное соединение плоских- шин магнитной обмотки, имекиш ступенчатую геометрию стыков, -с помощью плоской накладки. Величина максимальной' амплитуды импульса тока, 'протекзоще- -го черев увел разъема равна 80 кА, длительность одного импульса тока до 3' с. 1

В результате протекания тока узел разъема подвергается воздействию механических усилий, уровни которых в общем случае определяются всей геометрией магнитной системы.' Вследствие напряженного характера работы узла разъема картина распределения напряже- , ний в таком. контактном соединении характеризуется наличием зон высокой концентрации, а такие общей неравномерностью распределения сжимающих усилии'в контактной зоне,что существенна влияет на • прохождение тока через увел раз.гема и .работу Есей электрофизической установки.

Поскольку толщина шины имеет конечные размеры,. ' задача рассматривалась в постановке плоского''напряженного' состояния. В многоугольной двумерной области рзвгема генерировалась конечноэ-лементняя сетка га .треугольных элементов'с линейясй аппроксимацией перемещений. ' . '■

В работе хыполнен анализ я.д.с. разъема в зависимости от рйглпчнк;-'. гсжгвкй оппрания обмотки .в области разгема, что пркво-

"- 15 -

дит к различным урогням нагрузок-д, 6, х. Было рассмотрено напряженно-деформированное состояние узла разъема обмотки магнитной системы Сев споры над важшом (граница Гг) - первый вариант механического цагрухения контактного соединения, и второй вариант г н.д.с. угла ра?тема сбнстки с дополнительным олиранием.

В результате расчета покагано, что. максимальное эначение ин-тенснвностей напряжений в зоне вывода токспровсдящей шины в пер-есм варианте натружения на ЕБ5 превышает аналогичное значение для второго варианта. Крене того, для первого варианта натружения характерно. более неравномерное распределение контактных усилий сжатия и спад при подходе к стыку,, что приводит к дополнительному дшулевому нагреву. Во втором варианте возникает дополнительное поджатне на поверхности контактирования, что благоприятно сказывается на протекании токаи общем н.д.с. конструкции.

Исходя ив полученных результатов, было рекомендовано' провести дополнительнее оппрание узла разъема. За' основу был принят второй вариант натружения узла рагъема я исследовано его электро-термгмеханическое состояние. ,

При расчете электротермомеханического состояния контактного соединения реачивокана модель, учитывающая неравномерность '• контактного сопротивления, по поверхности контакта. На рисунке г представлены кривые распределения давления- на контактной поверхности в момент временя, соответствущнй максимальному нагреву контакта. На кривой 2 (рис.2) приведен график сжимающего контактного давления на поверхности контакта с учетом неравномернее распределения контактных сопротивлении. На кривой 1 - еждааяши«! усилия при постоянном контактном сопротивлении. Максимальное отличи« .амплитуд составляет• 12Х и отмечается более плавный характер 'распределения контактных давлений (кривая 2).

Учет связанности при решении задачи выявляет эффект стабилизации тоджатия, снижения переходного электрического и теплового контактного сопротивления и уменьшения температуры в контактной зоне. Полученный . результат известен' в практике эксплуатации электрических контактов как процесс самовосстановления. - ■

Анализ н.д.с. в узле разъема-установки У-2М при пропускании тока и интенсивном' механическом воздействии показал; что разъем в номинальном режиме будет , находиться в упрутопластической зоне, однако распространение области'пластических напряжений в выводе шины вдоль выточки стыка незначительно влияет на зону непосредственного контакта. Т.е. при проектировании разъема с необходимыми геометрическими и механическими параметрами может быть обеспечена его работоспособнооть.

Дополнительно Было -также проведено исследование геометрии узла разъема в зоне контакта. Предложена оригинальное выполнения контактирующей поверхности, что приводит к уменьшению тепловыделения и улучшению работоспособности контактного соединения. Эти результаты защищены авторскими свидетельствами и внедрены в проектируемую установку.

Другим конкре.тным примером использования предложенной методики является анализ н.д.с. гнездового'зажима фирмы "Pfisterer", термомеханические свойства которого и конструктивное исполнение, позволяют стабилизировать его переходное сопротивление в отличие от -обычного для других моделей электрических контактов возраста-, ния сопротивления при нагреве. Конструкция зажима' в рабочем состоянии включает в себя: корпус - 1,- изготовленный из алюминиевого сплава, латунные планку и прижимной болт - 2, медную клемму - 3 и алюминиевый провод - 4 (рис.3).

Для обоснованного выбора .-расчетной схемы и оценки достовер-

■ поста получаемых результатов на. начальном этапе расчетов было проведено сравнение деформаций на наружной стенке корпуса о результатами тензсмегрироваюгя, / полученными в ЦП БНОТ1ЭМ (г.Санкт-Петребург).

- В результате расчётов найдено распределение изолиний" интен-сивностей напряжении в стенке..корпуса зажима при наг'реве до 50°С; зависимость максимальной интенсивности напряжений от температуры; ' зависимость распространения глубины.зоны пластичности по толщине стенки от нагрева; распределение контактных усилий от момента затяжки и нагрева протекающим током.' Полученные результаты показы-. вают, что рост величины тока приводит к углублению зоны пластичности, а это, в свою очередь, приводит к Перераспределению напряжений, релаксации в нагружённых зонах; ■ - ■

В частности, с увеличением "величины номинального тока, вызывающего нагрев.до 40°С, при моменте затяжки 2 Н*м происходит

рост прижимного давления по линейному закону, что дает основание

• *

утверждать о упругом состоянии зажима (рис.4). Далее с увеличением температуры до "0°С происходит его спад по нелинейному закону, что свидетельствует о работе зажима в пластической' области. Это приводит к росту переходного сопротивления на границе и нарушению ТоКопередачи между проводом и клеммой. . .

Таким образом, для того, чтобы в процессе работы гнездового эаяима происходила стабилизация переходного сопротивления и режим пропускания тока не нарушался, необходимо обеспечить,упругое напряженно- деформированное состояние в процессе работы подбором материалов составных частей, прижимного усилия и величины тока. -Соответственнапротекание .тска происходит по гнездовому' зажиму, находящемуся в■предварительно напряженном состоянии.

'На,рис. Б приведена зависимость максимального момента ззтяж-

kii болта от нагрева пропускаемым .. током, обеспечивающего работу конкретного гнездового, зажима в зоне"упругости. Величина номинального тока,- обеспечивающего необходимый уровень установившейся ' температуры, определяется в общем случае условиями теплообмена и параметрами токопроводящей шины. .

■ Полученные' в рассмотренном примере результаты позволили не ■ только выяснить причины необычных'свойств электрического разъема фирмы "Pfisterer", но и выработать рекомендации по проектированию аналогичных конструкций электрических контактных соединений, обеспечивающих наибольший срок службы и высокую работоспособность ■ разъемов.

В выводах сформулированы основные- полученные результаты, возможности их. применения в расчетах и при проектировании электротехнических установок, ■ подвергающихся сложным видал термомехд-нического нагружения.

' - ООНОВНйЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЮТИ И КРАТКИЕ ВЫВОДЫ:

' 1. В работе . рассмотрена связанная алектротермомеханическая . контактная задача в двухмерной постановке для электрических контактных соединений^. Ее решение достигается последовательным решением краевых задач электромагнитного поля, теплопроводности, и ' механики деформируемого твердого тела, связанных посредством зависимости контактного электрического и термического сопротивлений от - уровня контактного давления, ыикрогеометрии, электрических, тепловых и механических характеристик взаимодействующих поверхностей. •

2. Поставленная прикладная, задача реализована в едином алгоритме МКЭ о' ■ использованием модели неоднородного.бестолщинного

■ ■ . ■ ■ _ 1д ' . .■ .-сглс?я, учитывающего связь контактирующие' подобластей по .соответс-• твугшим прр."!,)?тран ссстсяния. Решение последовательности краевых г=щ*ч осутесттчпется па единой сетке при линейной аппроксимации искомых функций. : •; ' ,

З/РааряГ.-оган алгсритм решения связанных элэктротершмехани- ■ четких задач для контактных соединений, реализующий последовательное регкние краевых вадзч г итерационном процессе переменных, параметров соссг.яния [контактное давление, электро- и термооопро-тивлвтш, поля температур, плотностей тока, механических напряжений и т.д.). Решение задач токсраспределения и механики осуществлялось в квзр.истатической постановке, а задача теплопроводности рассматривала« гаг. нестацисизрнзч, вследствие значительной инер- . ипсвнести тепловых процессов.

4. Создано элективное специализированное программное обеспечение, пспсгьзурщее автономные блеки решения • частных краевых задач, разработанные на к,эфедре ДиШ КЛИ (г.Киев)..

Б. Проведены численные исследования сходимости и достоверности результатов путем их сравнения с данными других авторов и .натурным экспериментом на реальном контактном соединении - гнез-дорсм зажиме. ■ •

5, Выполнены исследования закономерностей контактного вгаи-■ модействпя шин электрических разъемов обмотки магнитной'системы стелларатора У-2М. проанализированы зависимости' распределения температурного.-и электрического' полей, контактных давлений И н.д.с., а такке влияние данных параметров ' на' работоспособность узла райъема. Даны практические рекомендации по совершенствованию конструкции контактного соединения. '

7. Путем серии ■ численных экспериментов, проведенных для гнездового зажима, /установлено влияние наличия зоны пластических

- • - 20 -''. деформаций на величину результирующего прижимного усилия контактирующих токоведущих элементов. Получена обобщающая зависимость начального момента затяжки от средней температуры нагрева зажима протекающим током, обеспечивающая обоснованный выбор эксплуатационных характеристик. ■•'...■

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ: •.

1. Автономова Л.В.', Литвиненко КЗ. А., Хавин В. Л. Исследование соединения плоских .шин о различной геометрией контактных, переход-

■ ных частей.- В сб.: Электрические контакты. Пути повышения .кат чества и надежности. - Киев: ИПМ, 1987 - с.88-92.

I

2. Автономова Л.В., Хавин Б.Л.-, Конохов В.И. Исследование . контактного взаимодействия ' элементов узда разъема магнитной системы торсатрона. Тезисы докл. на II.I Всесоюзн. конф.. "Смешанные задачи теории упругости".- Харьков,' 1984.

3. Автономова Л.В., Хавин B.JI., Литвиненко' Ю.А.' Исследование распределения тока и температуры контактного ооединения винтовой обмотки стелларатора. Тезисы докладов Пятой Всесоюзн. конф. по инженерным проблемам .термоядерных .реакторов.-M. s ЦНИИатоминфор^, 1990,ЗБбс. - С.70.

4. Автономова Л.В., ; Ингудырв C.B., Окороков , A.C., Хавин В.Л., Литвиненко Ю.А, Исследование напряжевдо-деформир'ованно- ' го состояния разъемной винтовой обмотки стелларатора. Теэиоы докладов Четвертой Всесоюзн, конф.. по инженерным проблемам термоя-.

: дерных реакторов.-М. ¡ЦНИИатомщформ,'- 1987,344с. - с. 131. ■

5. Автономова Л.В., Дрозд Л.А., Хавин В.Л. Концентрация нал- . ряжений- в ступенчатых контактных соединениях сильноточных шин. Теэиоы докладов IV Всесоюзн.' конф. "Смешанные задачи-механики де-

- 21 -

•формируемого тела".- Одесса, 1989. .

5. Автономова Л.В., Хавин :В. Л. , Хермонапряженное состояние' разъема стелларатора при протекании больших токов.- Динамика и прочность машин: Респ. мевдувед.. научн.техн. сб.- X.: Вита школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1993.- Вып.53.. ' __

' 7. Автономова Л.В. Изнашивание при фреттинге сильноточных контактов. Тезисы докладов на научно-технической конф. "Качество '. и надежность узлов трения".- Хмельницкий,, 1992.

8., Автономова Л.В. Вибрационное проскальзывание в замкнутых рильноточяых контактах. Тезисы докл. семинара "Электрические кон-'" такты и электроды. Материалы. Физические процессы"." Киев-Одесса, 1990.. '

_ .. 9. Автономова Л. В. и др. Разъемное контактное .соединение-винтовой обмотки стеллараторз. :Тезисы докл. семинара "Электрические контакты и электроды. Материалы. • Физические процессы".-Киев-Одесса, 1990.-. ■

10. Авторское . свидетельство СССР. Контактное, соединение плоских шин / ХПИ, Автономова Л.В,,. Ллтвиненко Ю.А., Хавин ,В.Л-.' H 1379837,М.КЛ.4 HQ1R 4/68,.A1,N ,1937г. • '•'..'

11. Авторское свидетельство СССР. Контактное'соединение для' сильноточных'цепей >ХГО1, Автономова Л.В., Литвиненко-Ю.А-., Сергеев Ю.Ф.! Хазин В. Л. N 1686541, М.КЛ, 4 HOIR 4/БЗ, A1.N ,1091г.

12.-Щеглов Й.И., Автономова Л.В., Хавин В.Л. Определение перемещений вызванных' нерсесимметричным воздействием в кольцевой , ■области.- Динамика и.прочность машин: Респ." междувед. научн.техй. сб.- X.: Вишэ школа. : Иэд-во при Харьк; ун-те, 1386.-Вып. С.41-43. ■ v - - " ■..'■'•'," ■ ' : .. ' ' ' ' " "'- ' -

- Ей

Схема'механического нагруления увяз рааъеиа установки •.

Рис.1

, Распределение р^ на контактной поверхности для однородного и неоднородного распределения контактных, сопротивлений

-355.2

-430.1

-805.1

-588.1

-655.1

-739.1

: • - - ■ 2У^у N

/1 . у

1 / 11______ «

2.437 5.845

7.653

16.26

I. хВ.вКп! 12.67 15.48

Рио.Е

Клг-тная о:?мз гне?дсгоге сильноточнстс гэдша

I А

x

— 1Й

- 7 —

ii] ■

Г 2

И

И

1

13

/

Ш • • и 3

!з1 , ¡з

Ш

-17-

Рио.З

Эависнмссг* приимнсго усилия на контактной поверхности гнердоЕогс зажила Гг от температуры нагрева

32« .

300.

р, <н> к _

280.

20.

50.

вв. т<°е>

я

РИО.^

Зависимость максимального момента затяжки ох ^агрева,-. обеспечивающего работу гнездового зажима в зонё. упругости

Рио.б

Распределение изсшший'б! в разъеме установки У-ЕМ ■ : в процессе акешгуаюции

!'Рис.е|