基于PTCCreoSimulate的電機元件優(yōu)化設(shè)計

楊麗娟

摘 要： 利用PTC Creo Simulate軟件對電機元件進(jìn)行3D參數(shù)化建模與模態(tài)分析，找到了電機設(shè)計過程中缺陷和不足，提出了解決方案并對電機元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，建立了優(yōu)化模型，最后以PTC Creo Simulate軟件再次驗證設(shè)計結(jié)果。結(jié)果表明，該方法解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)特性等方面問題，減少研發(fā)時間，提升設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞： PTC Creo Simulate； 電機元件； 優(yōu)化設(shè)計； 模態(tài)分析； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號： TM 302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）03-0097-03

0 引 言

電機安裝元件種類繁多，適用的環(huán)境與受力的類型不同，會發(fā)生斷裂、開裂等現(xiàn)象，因此電機元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是亟需考慮的問題。傳統(tǒng)的電機元件設(shè)計往往需要設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格說明書對電機元件進(jìn)行3D建模設(shè)計，然后通過計算來確定電機元件的安全系數(shù)并制造樣品進(jìn)行試驗，通過在相同條件下反復(fù)測試，不斷調(diào)整設(shè)計與加工，消除缺陷，直至滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。這樣不僅花費大量的人力與財力，其準(zhǔn)確性也得不到保證。

PTC Creo Simulate是一款靜動態(tài)分析、模態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計的軟件，其直觀、人性化的用戶界面提高了用戶設(shè)計效率。它在設(shè)計過程中能無縫集成模擬工作環(huán)境，進(jìn)行實際應(yīng)用的真實條件（如約束、載荷、材料屬性）等參數(shù)的設(shè)置，從而獲得實際的性能數(shù)據(jù)，及早識別機電零件的問題區(qū)域，迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，洞察產(chǎn)品性能。通過PTC Creo Simulate軟件實現(xiàn)電機元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù)化設(shè)計，對提高開發(fā)效率具有較大意義。

1 運用軟件分析產(chǎn)品問題并提出解決方案

1.1 電機元件的3D參數(shù)化建模

圖1為后輪制動卡鉗設(shè)計結(jié)果。應(yīng)用PTC Creo Simulate軟件的建模模塊，通過建模方法、特征操作對電機元件進(jìn)行3D參數(shù)化建模。根據(jù)使用功能與設(shè)計意圖完成產(chǎn)品初期設(shè)計，創(chuàng)建初始數(shù)據(jù)并建立對產(chǎn)品的直觀認(rèn)識，同時對幾何模型進(jìn)行質(zhì)量計算與物理分析，獲得產(chǎn)品的質(zhì)量屬性：體積為3.7966163×105 mm3；質(zhì)量為2.9841404 kg。

1.2 運用PTC Creo Simulate軟件進(jìn)行分析

1.2.1 電機元件的材料選擇

黑色金屬在各類電機制造中是經(jīng)常用到的基本材料，其常用的制造方法多為鑄件，能適應(yīng)形狀復(fù)雜零件的鑄造。而PTC Creo Simulate 擁有豐富的材料庫，可以選擇材料庫里的材料，也可自定義新材料。若選擇自定義新材料的方式進(jìn)行設(shè)置，定義完成后，建議自定義的新材料可存入庫中，方便后續(xù)使用。從材料的力學(xué)性能與成本經(jīng)濟性角度考慮，選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A，其彈性模量為2.12×105 MPa，泊松比為0.288，質(zhì)量密度為7.86×103 kg/m3，抗剪模量為823 MPa，張力強度為390 MPa，屈服強度為235 MPa。

1.2.2 設(shè)置電機元件的約束

如圖2所示，動力元件固定在電機支架上，動力元件產(chǎn)生上下兩端對稱的壓力，電機支架通過兩邊的孔，使用螺栓固定于工作臺上，根據(jù)電機支架的運用環(huán)境，在PTC Creo Simulate模擬實際運用環(huán)境，對其進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，即：力/力矩負(fù)荷（在點、邊/曲線或曲面上）；壓力負(fù)荷（在曲面或2D 模型的曲線上）；承載負(fù)荷（在圓孔中）；主體負(fù)荷（重力、離心力、溫度）。

1.2.3 設(shè)置電機元件的載荷

在軟件模量模型中設(shè)置邊界條件（受力情況、約束條件等）。在有限元中，整個模型都可以彎曲并在空間中運動。模型由有限元和連接這些元素的點組成。模型中的每個點都可以在6-DOF 空間中自由運動。如圖3中，有限元模型中的每個點都有3個平移DOF 和3個旋轉(zhuǎn)DOF。內(nèi)部點由有限元彼此連接，它們的運動受這些元素的彈性屬性控制，真正需要約束的是模型上的外部點。

在電機元件的兩翼曲面設(shè)置全約束，在卡槽的位置受到頂桿的壓力3 MPa，如圖4所示。

1.2.4 電機工作結(jié)構(gòu)分析

通過電機工作環(huán)境的設(shè)置，獲得結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。圖5為優(yōu)化前應(yīng)力應(yīng)變著色結(jié)果。圖5中，不同顏色區(qū)域代表著后輪制動卡鉗所受應(yīng)力應(yīng)變的大小，顏色從紅、橙、黃、綠一直到深藍(lán)色，其相對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變值越來越小，顏色越偏向紅色，說明該位置越容易出現(xiàn)問題。由圖5可以看出，在元件的折彎處產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為299.463 MPa，最大變形量為0.203308 mm。由于折彎處最大應(yīng)力為299.463 MPa大于Q235-A的屈服強度235 MPa，因此在應(yīng)力集中處極容易產(chǎn)生破壞。

1.3 解決方案

結(jié)合上述分析結(jié)果，對后輪制動卡鉗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)是獲取符合模型設(shè)計目的的最佳可能幾何形狀，同時在考慮產(chǎn)品的制造成本上，希望質(zhì)量最小化來降低材料成本。為了消除缺陷，可以提出3個方案：（1）在折彎處創(chuàng)建圓角；（2）加大材料的厚度；（3）選擇屈服強度更大的材料。

根據(jù)對比篩選，考慮產(chǎn)品的設(shè)計要求，采用最經(jīng)濟最適用的解決方案。本研究采用方案一：在折彎處創(chuàng)建圓角，來減輕應(yīng)力集中。圓角過大，是否會影響產(chǎn)品的質(zhì)量；圓角過小，能否解決應(yīng)力集中問題。在遵循最小化質(zhì)量條件原則下，利用PTC Creo Simulate軟件建立設(shè)計優(yōu)化模型。根據(jù)材料的屈服強度，設(shè)置目標(biāo)的最大應(yīng)力不超過235 MPa，限制的圓角大小在1～4 mm范圍。通過再次驗證設(shè)計結(jié)果，獲得最佳的倒圓角值為3 mm，最大應(yīng)力值為207.046 MPa，其值小于235 MPa，如圖6所示。

2 解決方案實施后獲得的效果

圖7為采用PTC Creo Simulate進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計前后的對比結(jié)果。由圖7可以看出，采用PTC Creo Simulate進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計后，相比于過去已制造物理樣機的方式進(jìn)行產(chǎn)品的驗證，采用PTC Creo Simulate進(jìn)行電機元件參數(shù)化設(shè)計并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，能及早洞察產(chǎn)品性能，并提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，同時提高首次制造產(chǎn)品成功的幾率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少制造物理樣機，降低開發(fā)成本，加速產(chǎn)品上市時間。

3 結(jié) 論

根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力有明顯的降低，符合設(shè)計目的。同時產(chǎn)品驗證與產(chǎn)品設(shè)計采用同種數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)設(shè)計的快速變更。

對比現(xiàn)行企業(yè)運用的設(shè)計方法和思路，對設(shè)計過程進(jìn)行了優(yōu)化，完成從“數(shù)據(jù)采集”→“設(shè)計及變更”→“產(chǎn)品驗證”的過程，實現(xiàn)提升設(shè)計效率，節(jié)省產(chǎn)品上市時間的目的。

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Abstract： The PTC Creo simulate software is used to 3D parametric modeling and modal analysis of motor components， found in the process of motor design flaws and shortcomings， propose solutions and optimize the structure of motor components， optimization model is established . finally to verify the design results once again by the PTC Creo simulate software and solve problems of structural design and mechanical properties， reduce development time， enhance the design efficiency.

Keywords： PTC Creo simulate； motor components； optimization design； modal analysis； structure optimization

（責(zé)任編輯：徐興華）