1、背景介紹

真空滅弧室是真空開關(guān)的核心部件，真空開關(guān)的合、分操作，是通過位于真空滅弧室外的操動(dòng)機(jī)構(gòu)使真空滅弧室內(nèi)的一對(duì)對(duì)置觸頭閉合或分離來完成的。

波紋管作為真空滅弧室中的密封和連接元件，在服役過程中經(jīng)歷反復(fù)拉伸、壓縮作用，同時(shí)還受速度和外壓的影響，波峰、波谷處極易發(fā)生疲勞失效，其疲勞壽命決定著真空滅弧室機(jī)械壽命。一旦發(fā)生疲勞失效將使整條電路系統(tǒng)癱瘓，帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

真空滅弧室波紋管

2、研究?jī)?nèi)容

真空滅弧室用波紋管服役工況復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法和試驗(yàn)手段難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其疲勞壽命，一定程度上制約波紋管的設(shè)計(jì)與選用。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D-DIC技術(shù)），可以在疲勞實(shí)驗(yàn)的全過程表征材料表面的應(yīng)變場(chǎng)，突破傳統(tǒng)疲勞實(shí)驗(yàn)信息獲取方式單一的局限性，為研究疲勞機(jī)理提供了新的研究方法。

利用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)，獲取波紋管構(gòu)件的 S-N曲線，基于ANSYS 有限元分析軟件，建立波紋管彈塑性變形有限元模型，通過DIC測(cè)試數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

波紋管疲勞試驗(yàn)

對(duì)波紋管進(jìn)行軸向拉伸、壓縮疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為 0.1～0.5 Hz，保證波紋管緩慢運(yùn)動(dòng)。為保證數(shù)值的準(zhǔn)確性和可靠性，每組疲勞試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次，取其平均值。

疲勞加載試驗(yàn)裝置

從疲勞試驗(yàn)機(jī)上讀取荷載循環(huán)次數(shù)，記錄波紋管疲勞破裂位置，得到波紋管的位移壽命曲線。使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向拉伸、壓縮試驗(yàn)。

采用新拓三維XTDIC 三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)采集波紋管表面位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)信息，結(jié)合DIC 設(shè)備測(cè)試的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線和波紋管位移壽命曲線獲得波紋管構(gòu)件 S-N曲線。

波紋管構(gòu)件 S-N 曲線

彈塑性變形有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證波紋管彈塑性變形有限元模型的準(zhǔn)確性，采用 XTDIC 三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取波紋管拉伸、壓縮特征區(qū)域位移應(yīng)變分布規(guī)律，與同條件下所建波紋管彈塑性變形有限元模型仿真結(jié)果所得位移應(yīng)變分布規(guī)律對(duì)比，有限元結(jié)果和DIC 結(jié)果整體變化趨勢(shì)相同。

XTDIC分析波紋管彈塑性位移應(yīng)變

拉伸 0.5 m/s壓縮 2 m/s工況下不同階段結(jié)果對(duì)比

根據(jù)DIC試驗(yàn)獲取移動(dòng)端第一個(gè)波峰位置一點(diǎn)處等效應(yīng)變隨加載位移的變化特性，再用有限元進(jìn)行相同位置同等條件下仿真計(jì)算，獲取不同速度下相同區(qū)域等效應(yīng)變與加載位移關(guān)系。

有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，有限元與DIC試驗(yàn)誤差在 5%范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了彈塑性變形有限元模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)壽命精確計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

不同速度下有限元結(jié)果與DIC試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

波紋管疲勞失效預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

基于波紋管彈塑性變形有限元模型，以瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果為前提，結(jié)合軟件預(yù)測(cè)其疲勞壽命，通過疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證疲勞壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。將試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者最小壽命位置相同，壽命誤差為7.68%，處于可承受誤差范圍。

疲勞壽命預(yù)測(cè)驗(yàn)證

4、研究結(jié)論

以真空滅弧室用波紋管作為研究對(duì)象，采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行DIC疲勞測(cè)試，結(jié)合有限元法，研究加載下波紋管應(yīng)力應(yīng)變分布演變規(guī)律，有助于預(yù)測(cè)分析波紋管疲勞壽命。

（1）基于波紋管疲勞試驗(yàn)和DIC試驗(yàn)，獲得了考慮結(jié)構(gòu)件形狀影響的波紋管S-N曲線，同時(shí)與自定義材料S-N 曲線下所得疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比，得出構(gòu)件S-N 曲線進(jìn)行壽命計(jì)算更加準(zhǔn)確。

（2）建立了波紋管彈塑性變形有限元模型，通過新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變分布以及疲勞機(jī)理測(cè)試分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。