高温碟形双金属片动作响应特性技术研究

赵四化，匡 勇，马 兵，屈秀坤，苏晓阳，李基堂

(1.天津航空机电有限公司, 天津 , 300308; 2.中国人民解放军总参谋部陆航部军事代表局,天津,300308)

高温碟形双金属片动作响应特性技术研究

赵四化1*，匡 勇1，马 兵1，屈秀坤1，苏晓阳1，李基堂2

(1.天津航空机电有限公司, 天津 , 300308; 2.中国人民解放军总参谋部陆航部军事代表局,天津,300308)

高温碟形双金属片是火警温度继电器的核心元件，结构复杂，为了研究其受热动作响应特性，采用有限元分析方法，通过Solidworks结合ANSYS对双金属片进行热-结构耦合场分析，获得了碟形双金属片的受热动作响应特性，并且通过不断改变高温碟形双金属片的外形结构进行求解分析，根据分析结果总结高温碟形双金属片的结构与其受热动作响应特性之间的关系，为高温碟形双金属片的结构参数设计和数据调节提供理论依据。

高温；碟形双金属片；有限元；动作响应特性

0 引言

高温碟形双金属片是发动机防火产品温度继电器的核心零件，其结构设计质量直接影响温度继电器性能指标的准确性，进而影响整个飞机防火系统的稳定性。高温碟形双金属片是一种高温突变响应的双金属片，该类双金属片产品具有温度特性固定，动作温度精度高，控温温度高，触点通断重复性好，动作可靠，使用寿命长等诸多优点，在各种温感场合具有广泛的应用[1]。

高温碟形双金属片结构外形如图1所示，其结构直接决定了碟形双金属片温度继电器的受热动作响应特性。目前国内外对碟形双金属片的受热动作响应特性分析主要集中在低温碟形双金属片，其外形一般为单圆弧碟形片，根据板壳理论，将热应力简化为弯曲应力，建立数学公式进行分析计算，计算过程十分复杂，可应用性较差，且存在较大误差。而高温碟形双金属片外形结构更加复杂，一般由多段圆弧拼接而成，难以直接通过理论公式进行计算，一般是通过工人的生产经验进行总结，获得其受热动作规律。

基于高温碟形双金属片外形小巧且复杂的特点，本文采用Solidworks进行建模，导入ANSYS进行热-结构耦合场分析，获得动作响应特性，根据分析结果来总结高温碟形双金属片的结构与其受热动作响应特性之间的关系。

图1 碟形双金属片Fig.1 Bimetal with dish shape

1 高温碟形双金属片简介

1.1 工作原理

高温碟形双金属片由两层不同形状的金属组成，膨胀系数较大的为主动层，膨胀系数较小的为被动层，当高温碟形双金属片受热后，在弯曲应力的作用下高温碟形双金属片会向被动层弯曲，当温度达到一定程度后，高温碟形双金属片会发生跳跃屈曲翻转，称此温度点为断开温度点；当温度下降后，高温碟形双金属片会向主动层弯曲，当温度降到一定程度后，高温碟形双金属片会再次发生跳跃屈曲翻转，称此温度点为接通温度点[2,3]，其跳跃屈曲过程示意图见图2。

1.跳跃前状态 2.跳跃后状态图2 跳跃屈曲过程示意图Fig.2 Snap-through buckling process

1.2 结构特征

高温碟形双金属片轴向剖视图如图3所示,主要由三段圆弧①、②、③，4个关键点A、B、C、D组成，其中圆弧①和圆弧③的挠度较小，而圆弧②的挠度较大。根据调试经验总结得知，影响高温碟形双金属片动作响应特性的主要因素是三段圆弧的挠度。

图3 高温碟形双金属片轴向剖视图(单位mm)Fig.3 Axial section of high-temperature bimetal with dish

为了分析研究高温碟形双金属片动作响应特性与结构之间的关系，在分析过程中通过不断改变A、B、C、D四点的Y轴坐标来调节圆弧①、②、③的挠度，根据分析结果统计规律。

2 热-结构耦合场有限元分析过程

2.1 高温碟形双金属片模型建立

本文分析过程中对高温碟形双金属片进行轴对称简化，将3D模型转换成2D剖面进行热-结构耦合场分析，提高了求解效率和网格质量。按照结构测量的数据应用Solidworks绘制剖面图(见图3)，转化成IGES模型导入ANSYS进行分析。

2.2 单元及材料属性定义

热-结构耦合场有限元分析包括直接分析法和间接分析法，不同的分析方法对应不同的单元。本文采用直接分析法，应用具有热-结构耦合场分析功能的PLANE13单元，该单元具有大变形和应力刚度能力，能够应用在非线性分析过程中[4]。

经过双金属材料生产厂家试验测试，材料物理属性见表1。

表1 材料属性

2.3 网格划分及载荷施加

网格划分如图4所示，采用映射网格的方式来控制网格质量和数量，分别对三个圆弧段进行四边形网格划分，网格大小为0.05 mm,消除了尖锐、变长比很大的网格单元，能够提高运算结果的精度和效率。

图4 网格划分Fig.4 Meshing

由于高温碟形双金属片加热翻转和冷却翻转是一个变温度载荷的过程，这里我们采用瞬态分析，施加随时间变化的均匀温度场。其施加的载荷如图5所示。

T=TIME/60×550 (0 s

T=(120-TIME)/60×550 (60 s

升温和降温的周期是120 s

最高温度是550℃、起始温度是0℃

载荷步为240步加载

图5 载荷施加Fig.5 Load application

2.4 接触设置及约束设置

双金属片由两层金属碾压而成，紧密帖合，使用过程中无分离现象，因此接触设定为绑定约束。

火警温度继电器在使用过程中，通过螺钉固定双金属片中心孔，因此仿真模型中固定约束双金属片中心孔边缘。

2.5 分析求解及后处理

为了定型分析高温碟形金属片的断开温度点和接通温度点，计算D点Y轴方向的位移随时间(温度)的变化。其结果如图6所示。

从结果中我们可以看出，高温碟形双金属片在整个升温和降温过程中，存在两个突变点，分别对应断开温度点和接通温度点，且断开温度高于接通温度,与实际过程相符，变形云图见图7。

图7 变形结果云图Fig.7 The image of deformation

3 结构与动作响应特性关系分析

3.1 圆弧①挠度对动作响应特性的影响

根据表1描述的调节方式，改变圆弧①起始两点A和点B的Y轴差值，获得分析结果如表2所示。

表2 圆弧①不同挠度下的分析结果

图8 圆弧①挠度对动作温度点的影响曲线Fig.8 Impact of deflection of Arc ① on action temperature

注：Δ表示基础对照数据，其它数据是调整后结果。

根据分析结果，以温度差为Y轴，坐标变化量(Y(A-B)数值增量)为X轴作图，总结其变化规律，如图8所示。

根据图8分析结果可知：圆弧①挠度越小，断开点温度越低，接通点温度越高；圆弧①挠度越大，断开点温度越高，接通点温度越低。断开点的温度变化差值要大于接通点的温度变化差值，圆弧①的挠度对断开点温度的影响要大于接通点温度的影响，且它们之间的影响存在反向关系。

3.2 圆弧②、圆弧③挠度对动作响应特性的影响

按照同样的方法可以获得，圆弧②、圆弧③挠度对动作温度点的影响曲线，如图9、图10所示。

图9 圆弧②挠度对动作温度点的影响曲线Fig.9 Impact of deflection of Arc ② on action temperature

根据图9分析结果可知：圆弧②挠度越小，断开点温度越低，接通点温度越低；圆弧②挠度越大，断开点温度越高，接通点温度越高。断开点的温度变化差值要大于接通点的温度变化差值，圆弧②的挠度对断开点温度的影响要大于接通点温度的影响，且它们之间的影响存在正向关系。

图10 圆弧③挠度对动作温度点的影响曲线Fig.10 Impact of deflection of Arc ③ on action temperature

根据图10分析结果可知：圆弧③挠度越小，断开点温度越低，接通点温度越低；圆弧③挠度越大，断开点温度越高，接通点温度越高。断开点的温度变化差值要大于接通点的温度变化差值，圆弧③的挠度对断开点温度的影响要大于接通点温度的影响，且它们之间的影响存在正向关系。

4 实验验证

为了验证分析结论的准确性，进行实验验证，并对实验数据进行整理，其成型的高温碟形双金属片结构尺寸及其动作温度变化规律如表3所示。

表3 实验数据

根据表3中A、B、C、D行数据可知，圆弧①挠度越大，断开温度越高，接通温度越低，且断开温度变化速率大于接通温度变化速率；根据表3中B、E、F、H行数据可知，圆弧②挠度越大，断开温度越高，接通温度越高，且断开温度变化速率大于接通温度变化速率；根据表3中B、I、G、K行数据可知，圆弧③挠度越大，断开温度越高，接通温度越高，且断开温度变化速率大于接通温度变化速率。实验数据统计结果与理论分析结果相符。

5 结论

本文以高温碟形双金属片为研究对象，介绍了其工作原理和结构特征，应用Solidworks建模并不断改变高温碟形双金属片结构，导入ANSYS进行非线性热-结构耦合场有限元分析，获得其受热变形动态过程，并根据分析结果归纳了高温碟形双金属片结构与其动作响应特性之间的关系，为高温碟形双金属片的外形参数设计和数据调节提供了理论支持，为冲压成型模具提供了设计依据，大大提高了高温碟形双金属片的生产效率和生产质量，具有重要的借鉴意义。

[1] 朱宝全. 碟形双金属片受热变形分析[J]. 电站系统工程, 2010, 26(3): 28-30.

[2]滕志君, 张扬. 热继电器双金属元件工作原理与稳定性分析[J]. 低压电器, 2013, 18: 56-58.

[3]周晓红, 杨风雷. 碟形双金属片在热保护器中的应用[J]. 日用电器, 2012, (11): 38-41.

[4] 胡仁春, 等. ANSYS 15.0多物理耦合场有限元分析从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社, 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

赵四化(1987-)，男，河北任丘人.现在天津航空机电有限公司担任产品工程师，主要从事飞机防火产品的研发设计及其结构仿真分析相关研究。

赵四化,E-mail: zhaosihua1987@126.com

1004-5309(2016)-00199-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.05

X936;X932

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