高溫碟形雙金屬片動作響應特性技術研究

趙四化，匡 勇，馬 兵，屈秀坤，蘇曉陽，李基堂

(1.天津航空機電有限公司, 天津 , 300308; 2.中國人民解放軍總參謀部陸航部軍事代表局,天津,300308)

高溫碟形雙金屬片動作響應特性技術研究

趙四化1*，匡 勇1，馬 兵1，屈秀坤1，蘇曉陽1，李基堂2

(1.天津航空機電有限公司, 天津 , 300308; 2.中國人民解放軍總參謀部陸航部軍事代表局,天津,300308)

高溫碟形雙金屬片是火警溫度繼電器的核心元件，結構復雜，為了研究其受熱動作響應特性，采用有限元分析方法，通過Solidworks結合ANSYS對雙金屬片進行熱-結構耦合場分析，獲得了碟形雙金屬片的受熱動作響應特性，并且通過不斷改變高溫碟形雙金屬片的外形結構進行求解分析，根據分析結果總結高溫碟形雙金屬片的結構與其受熱動作響應特性之間的關系，為高溫碟形雙金屬片的結構參數設計和數據調節提供理論依據。

高溫；碟形雙金屬片；有限元；動作響應特性

0 引言

高溫碟形雙金屬片是發動機防火產品溫度繼電器的核心零件，其結構設計質量直接影響溫度繼電器性能指標的準確性，進而影響整個飛機防火系統的穩定性。高溫碟形雙金屬片是一種高溫突變響應的雙金屬片，該類雙金屬片產品具有溫度特性固定，動作溫度精度高，控溫溫度高，觸點通斷重復性好，動作可靠，使用壽命長等諸多優點，在各種溫感場合具有廣泛的應用[1]。

高溫碟形雙金屬片結構外形如圖1所示，其結構直接決定了碟形雙金屬片溫度繼電器的受熱動作響應特性。目前國內外對碟形雙金屬片的受熱動作響應特性分析主要集中在低溫碟形雙金屬片，其外形一般為單圓弧碟形片，根據板殼理論，將熱應力簡化為彎曲應力，建立數學公式進行分析計算，計算過程十分復雜，可應用性較差，且存在較大誤差。而高溫碟形雙金屬片外形結構更加復雜，一般由多段圓弧拼接而成，難以直接通過理論公式進行計算，一般是通過工人的生產經驗進行總結，獲得其受熱動作規律。

基于高溫碟形雙金屬片外形小巧且復雜的特點，本文采用Solidworks進行建模，導入ANSYS進行熱-結構耦合場分析，獲得動作響應特性，根據分析結果來總結高溫碟形雙金屬片的結構與其受熱動作響應特性之間的關系。

圖1 碟形雙金屬片Fig.1 Bimetal with dish shape

1 高溫碟形雙金屬片簡介

1.1 工作原理

高溫碟形雙金屬片由兩層不同形狀的金屬組成，膨脹系數較大的為主動層，膨脹系數較小的為被動層，當高溫碟形雙金屬片受熱后，在彎曲應力的作用下高溫碟形雙金屬片會向被動層彎曲，當溫度達到一定程度后，高溫碟形雙金屬片會發生跳躍屈曲翻轉，稱此溫度點為斷開溫度點；當溫度下降后，高溫碟形雙金屬片會向主動層彎曲，當溫度降到一定程度后，高溫碟形雙金屬片會再次發生跳躍屈曲翻轉，稱此溫度點為接通溫度點[2,3]，其跳躍屈曲過程示意圖見圖2。

1.跳躍前狀態 2.跳躍后狀態圖2 跳躍屈曲過程示意圖Fig.2 Snap-through buckling process

1.2 結構特征

高溫碟形雙金屬片軸向剖視圖如圖3所示,主要由三段圓?、?、②、③，4個關鍵點A、B、C、D組成，其中圓?、俸蛨A?、鄣膿隙容^小，而圓?、诘膿隙容^大。根據調試經驗總結得知，影響高溫碟形雙金屬片動作響應特性的主要因素是三段圓弧的撓度。

圖3 高溫碟形雙金屬片軸向剖視圖(單位mm)Fig.3 Axial section of high-temperature bimetal with dish

為了分析研究高溫碟形雙金屬片動作響應特性與結構之間的關系，在分析過程中通過不斷改變A、B、C、D四點的Y軸坐標來調節圓?、?、②、③的撓度，根據分析結果統計規律。

2 熱-結構耦合場有限元分析過程

2.1 高溫碟形雙金屬片模型建立

本文分析過程中對高溫碟形雙金屬片進行軸對稱簡化，將3D模型轉換成2D剖面進行熱-結構耦合場分析，提高了求解效率和網格質量。按照結構測量的數據應用Solidworks繪制剖面圖(見圖3)，轉化成IGES模型導入ANSYS進行分析。

2.2 單元及材料屬性定義

熱-結構耦合場有限元分析包括直接分析法和間接分析法，不同的分析方法對應不同的單元。本文采用直接分析法，應用具有熱-結構耦合場分析功能的PLANE13單元，該單元具有大變形和應力剛度能力，能夠應用在非線性分析過程中[4]。

經過雙金屬材料生產廠家試驗測試，材料物理屬性見表1。

表1 材料屬性

2.3 網格劃分及載荷施加

網格劃分如圖4所示，采用映射網格的方式來控制網格質量和數量，分別對三個圓弧段進行四邊形網格劃分，網格大小為0.05 mm,消除了尖銳、變長比很大的網格單元，能夠提高運算結果的精度和效率。

圖4 網格劃分Fig.4 Meshing

由于高溫碟形雙金屬片加熱翻轉和冷卻翻轉是一個變溫度載荷的過程，這里我們采用瞬態分析，施加隨時間變化的均勻溫度場。其施加的載荷如圖5所示。

T=TIME/60×550 (0 s

T=(120-TIME)/60×550 (60 s

升溫和降溫的周期是120 s

最高溫度是550℃、起始溫度是0℃

載荷步為240步加載

圖5 載荷施加Fig.5 Load application

2.4 接觸設置及約束設置

雙金屬片由兩層金屬碾壓而成，緊密帖合，使用過程中無分離現象，因此接觸設定為綁定約束。

火警溫度繼電器在使用過程中，通過螺釘固定雙金屬片中心孔，因此仿真模型中固定約束雙金屬片中心孔邊緣。

2.5 分析求解及后處理

為了定型分析高溫碟形金屬片的斷開溫度點和接通溫度點，計算D點Y軸方向的位移隨時間(溫度)的變化。其結果如圖6所示。

從結果中我們可以看出，高溫碟形雙金屬片在整個升溫和降溫過程中，存在兩個突變點，分別對應斷開溫度點和接通溫度點，且斷開溫度高于接通溫度,與實際過程相符，變形云圖見圖7。

圖7 變形結果云圖Fig.7 The image of deformation

3 結構與動作響應特性關系分析

3.1 圓?、贀隙葘幼黜憫匦缘挠绊?/p>

根據表1描述的調節方式，改變圓?、倨鹗純牲cA和點B的Y軸差值，獲得分析結果如表2所示。

表2 圓?、俨煌瑩隙认碌姆治鼋Y果

圖8 圓?、贀隙葘幼鳒囟赛c的影響曲線Fig.8 Impact of deflection of Arc ① on action temperature

注：Δ表示基礎對照數據，其它數據是調整后結果。

根據分析結果，以溫度差為Y軸，坐標變化量(Y(A-B)數值增量)為X軸作圖，總結其變化規律，如圖8所示。

根據圖8分析結果可知：圓?、贀隙仍叫?，斷開點溫度越低，接通點溫度越高；圓?、贀隙仍酱?，斷開點溫度越高，接通點溫度越低。斷開點的溫度變化差值要大于接通點的溫度變化差值，圓?、俚膿隙葘嚅_點溫度的影響要大于接通點溫度的影響，且它們之間的影響存在反向關系。

3.2 圓?、?、圓?、蹞隙葘幼黜憫匦缘挠绊?/p>

按照同樣的方法可以獲得，圓?、?、圓?、蹞隙葘幼鳒囟赛c的影響曲線，如圖9、圖10所示。

圖9 圓?、趽隙葘幼鳒囟赛c的影響曲線Fig.9 Impact of deflection of Arc ② on action temperature

根據圖9分析結果可知：圓?、趽隙仍叫?，斷開點溫度越低，接通點溫度越低；圓?、趽隙仍酱?，斷開點溫度越高，接通點溫度越高。斷開點的溫度變化差值要大于接通點的溫度變化差值，圓?、诘膿隙葘嚅_點溫度的影響要大于接通點溫度的影響，且它們之間的影響存在正向關系。

圖10 圓?、蹞隙葘幼鳒囟赛c的影響曲線Fig.10 Impact of deflection of Arc ③ on action temperature

根據圖10分析結果可知：圓?、蹞隙仍叫?，斷開點溫度越低，接通點溫度越低；圓?、蹞隙仍酱?，斷開點溫度越高，接通點溫度越高。斷開點的溫度變化差值要大于接通點的溫度變化差值，圓?、鄣膿隙葘嚅_點溫度的影響要大于接通點溫度的影響，且它們之間的影響存在正向關系。

4 實驗驗證

為了驗證分析結論的準確性，進行實驗驗證，并對實驗數據進行整理，其成型的高溫碟形雙金屬片結構尺寸及其動作溫度變化規律如表3所示。

表3 實驗數據

根據表3中A、B、C、D行數據可知，圓?、贀隙仍酱?，斷開溫度越高，接通溫度越低，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率；根據表3中B、E、F、H行數據可知，圓?、趽隙仍酱?，斷開溫度越高，接通溫度越高，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率；根據表3中B、I、G、K行數據可知，圓?、蹞隙仍酱?，斷開溫度越高，接通溫度越高，且斷開溫度變化速率大于接通溫度變化速率。實驗數據統計結果與理論分析結果相符。

5 結論

本文以高溫碟形雙金屬片為研究對象，介紹了其工作原理和結構特征，應用Solidworks建模并不斷改變高溫碟形雙金屬片結構，導入ANSYS進行非線性熱-結構耦合場有限元分析，獲得其受熱變形動態過程，并根據分析結果歸納了高溫碟形雙金屬片結構與其動作響應特性之間的關系，為高溫碟形雙金屬片的外形參數設計和數據調節提供了理論支持，為沖壓成型模具提供了設計依據，大大提高了高溫碟形雙金屬片的生產效率和生產質量，具有重要的借鑒意義。

[1] 朱寶全. 碟形雙金屬片受熱變形分析[J]. 電站系統工程, 2010, 26(3): 28-30.

[2]滕志君, 張揚. 熱繼電器雙金屬元件工作原理與穩定性分析[J]. 低壓電器, 2013, 18: 56-58.

[3]周曉紅, 楊風雷. 碟形雙金屬片在熱保護器中的應用[J]. 日用電器, 2012, (11): 38-41.

[4] 胡仁春, 等. ANSYS 15.0多物理耦合場有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社, 2014, 100-300.

Action response characteristic of high-temperature bimetal with dish shape

ZHAO Sihua1, KUANG Yong1, MA Bing1, QU Xiukun1, SU Xiaoyang1, LI Jitang2

(1. AVIC Tianjin Aviation Electro-Mechanical Co.,Ltd., Tianjin 300308， China; 2. PLA General Staff Land Office. Tianjin 300308， China)

As the core components of fire temperature relay, the high-temperature bimetal with dish shape has complicated structure. Its action response characteristic cannot be studied by theoretical formula. So, in this paper, the bimetal is analyzed with Solidworks and ANSYS. The thermal deformation dynamic characteristic of bimetal with dish shape is obtained. According to the results from changing the shape of bimetal, the relationship between the shape of the bimetal with dish shape and thermal action response characteristic is summarized. The characteristic will provide theoretical basis for designing the structure parameters and adjusting the data of bimetal.

High-temperature; Bimetal with dish shape; FEA; Action response characteristic

2016-01-04；修改日期：2016-07-04

趙四化(1987-)，男，河北任丘人.現在天津航空機電有限公司擔任產品工程師，主要從事飛機防火產品的研發設計及其結構仿真分析相關研究。

趙四化,E-mail: zhaosihua1987@126.com

1004-5309(2016)-00199-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.05

X936;X932

A