本发明涉及导波仿真技术领域，具体涉及一种导波在储能弹簧中传播特性的仿真分析方法。
背景技术
高压断路器的弹簧动作机构具有响应速度快、结构简-单、工艺性好、无油气泄露等问题，在电网系统中得到了广泛的应用，但其核心部件储能弹簧断裂引起事故，给电网带来较大威胁，已受到广泛关注和高度重视。
储能弹簧是高压断路器开合闸动作机构的核心部件，研究在役储能蜗卷弹簧裂纹的无损检测方法对安全事故的预防具有重要的意义。超声导波具有方向性好、不受电气及电磁干扰、传播距离远等特点，是超声波检测领域的热点问题。nishinoh等人利用宽带激光超声系统，研究了导波在弯曲管中的传播，纵向模态l(0,1)导波在弯管中转换为弯曲模态f(1,1)，弯管的弯曲角度越大，模态转换得越明显；何存富等人利用有限元方法研究了导波在存在单一缺陷与多缺陷的弯管中的传播特性，缺陷回波幅值与缺陷大小、数量关系密切；张帅芳等人对超声导波在板中的传播进行了模拟，并利用四点定位缺陷方法实现了超声波对损伤的识别与定位。
目前的研究大多集中在板和管等结构形式，对于复杂结构的研究比较少；超声导波在固体中的传播机理非常复杂，试验研究效率较低、有局限性，尚未见到有对变曲率的复杂螺旋板状结构的导波仿真分析研究。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种导波在储能弹簧中传播特性的仿真分析方法，以某高压断路器中的蜗卷弹簧为研究对象，通过有限元法对超声导波在储能蜗卷弹簧中的传播特性进行研究，为研制断路器蜗卷弹簧在役导波检测装置奠定理论基础，对保障电力供应安全具有非常重要的现实意义。具体技术方案如下：
一种导波在储能弹簧中传播特性的仿真分析方法包括以下步骤：
(1)利用三维软件建立储能弹簧模型，储能弹簧模型包括弹簧本体模型；
(2)将步骤(1)获得的储能弹簧模型导入有限元仿真分析软件中，定义储能弹簧的材料属性和特性参数；
(3)建立坐标系，划分储能弹簧模型的网格，定义网格的大小；
(4)施加储能弹簧模型的边界条件进行仿真计算，所述边界条件包括超声导波信号的激励和约束；
(5)获得仿真计算结果；
(6)将仿真计算结果处理成数据形式，通过数据得到的波形图观察接收点的质点振动情况，分析储能弹簧导波传播特性；
(7)将仿真计算得到的储能弹簧中导播群速度与通过导波频散方程数值计算得到的频散曲线对比以进行仿真结果验证。
进一步，所述步骤(1)中的三维软件为solidworks三维软件。
进一步，所述步骤(2)中的有限元仿真分析软件为adams、ansys、abaqus中的一种。
进一步，所述步骤(2)中的特性参数包括材料密度、弹性模量和泊松比。
进一步，所述步骤(3)中的网格为六面体网格。
进一步，所述步骤(7)中导波频散方程数值计算采用的软件为matlab。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种导波在储能弹簧中传播特性的仿真分析方法，通过本发明可以对储能弹簧进行快速建模并获取任意质点振动分布图，进而对储能弹簧导波传播特性进行分析，观察其衰减特性，对预制缺陷进行检测，并将仿真与理论计算的结果进行对比，验证了本发明的可行性；由此可见，通过本发明可对储能弹簧中导波传播特性进行研究，包括其传播幅值衰减特性和频散特性，同时也可对制造获得的储能弹簧成品进行仿真检测，尤其是对储能弹簧在工作过程中可能出现裂纹进行仿真检测，大大提高了储能弹簧应用的安全性。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例中获得的某质点的振动波形图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种导波在储能弹簧中传播特性的仿真分析方法包括以下步骤：
(1)利用三维软件solidworks建立储能弹簧模型，构建blk型储能弹簧本体模型；建立好三维模型之后，根据文件格式要求保存为相应格式sat。
(2)将步骤(1)获得的储能弹簧模型导入有限元仿真分析软件abaqus中，定义储能弹簧的材料属性和特性参数，材料属性为弹簧钢，特性参数：密度为7.85e-9t/mm3，弹性模量为2.06e5mpa，泊松比为0.3。
(3)建立坐标系，划分储能弹簧模型的网格，划分成六面体网格，再定义网格的大小为0.5mm。
(4)施加储能弹簧模型的边界条件进行仿真计算，超声导波信号的激励和约束。超声导波信号的激励通过在弹簧表面某一节点加载集中力载荷作为激励信号，以激励出特定频率的超声导波信号，约束是以弹簧中心凸台上表面来约束整个弹簧。
其中，边界条件的确定过程为：
查阅相关资料，通过计算确定了超声导波信号的计算公式和激励方式。超声导波激励时，激励信号选取用汉宁窗调制单音频的窄带信号脉冲作为激励信号源，即选的激励信号的表达式为：
其中，f为单音频的窄带信号频率，n为汉宁窗调制的单音频的周期数，此处n取5个周期数。
根据blk型储能弹簧产品说明书，设定储能弹簧中心为完全约束，以此约束整个模型。
(5)获得有限元仿真分析软件abaqus仿真计算结果，在后处理模块直接输出采集点导波信号。
(6)将仿真计算结果处理成质点振动图，通过abaqus软件的后处理功能(visualization)提取相应质点的时间历程曲线，即可获得该质点处导波信号，如图2所示。
(7)将仿真计算得到的储能弹簧中导播群速度与通过导波频散方程数值计算得到的频散
曲线对比以进行仿真结果验证。
其中蜗卷弹簧导波频散方程计算步骤如下：
1)在空间极坐标系(r,θ)中，空心圆柱体的位移分量可以表示为：
根据胡克定律，应力分量表示为：
其中，ur为关于极径r的位移分量、uθ为关于极角θ的位移分量、uz为z方向位移、r为极坐标系极径、θ为极坐标系极角、σr为关于极径r的应力分量、σθ为关于极角θ的应力分量、σrθ为关于两个极坐标变量的应力分量。
2)利用位移势函数
其中，
3)
其中cl和ct分别为纵波波速和横波波速，ω为角速度。
4)对于沿θ方向传播的波，可写为
k为波数、b为空心圆柱体的外径。
求解以上公式⑥中两个贝塞尔方程，得其解为：
jkb、ykb分别为阶数为k的第一类和第二类贝塞尔函数。
5)将公式⑦代入公式④再带入公式③，结合自由边界条件r＝a或r＝b时σr＝σrθ＝0，得到一个常数a＝(a1，a2，a3，a4)t的4个齐次方程组：
d(k,ω,η)a＝0；⑧
6)公式⑦的方程组有解，程组的系数矩阵的行列式必须为零，由此可得圆柱壳结构频散方程：
|d(k,ω,η)|＝0；⑨
该方程是一个关于波数和角频率的方程，且与表征圆柱壳弯曲程度的形状参数η有关，η的值为内外径之比，即η＝a/b，通过改变不同的内外径，可以计算不同内外径圆柱壳结构的频散曲线。
由图2可知，该质点处的导波到达时间约为1.280e-4s，波峰约为1.461e-5mm，通过获取不同距离质点的到达波的时间及其波峰值可以计算导波在这两点间的传播群速度以及幅值衰减特性；当导波激励频率为30khz时，对应储能弹簧中导波群速度理论值为5507m/s，仿真计算值为5243.08m/s；当导波激励频率为150khz时，对应储能弹簧中导波群速度理论值为3375m/s，仿真计算值为3256.06m/s；当导波激励频率为300khz时，对应储能弹簧中导波群速度理论值为3186m/s，仿真计算值为2986.75m/s；以上数据平均误差在5％左右，可见本发明提供的方法的可行性。
通过本发明的储能弹簧有限元仿真分析方法，可研究不同频率导波在弹簧中的传播特性，同时也可对弹簧的裂纹进行仿真检测，为弹簧的故障监测及后续的优化设计提供了参考。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。