基于ANSYS Workbench的機座設計優(yōu)化

仇超武，譚亮，梁雙全，張冬妮（1.中車株洲電機有限公司，湖南株洲，412001；2.江蘇中車電機有限公司，江蘇大豐，224115）

?

基于ANSYS Workbench的機座設計優(yōu)化

仇超武，譚亮，梁雙全，張冬妮
（1.中車株洲電機有限公司，湖南株洲，412001；2.江蘇中車電機有限公司，江蘇大豐，224115）

摘 要：本文通過建立發(fā)電機原機座的模型，利用ANSYS Workbench 14.0分析了其吊裝運輸時的靜強度；優(yōu)化改進機座吊裝運輸模型，研究分析了改進后吊裝運輸時的靜強度。通過對比結果和仿真驗證得出：機座模型優(yōu)化改進后，滿足設計要求，到優(yōu)化設計的目的。

關鍵詞：ANSYS Workbench；機座；靜強度分析

引言

發(fā)電機機座是發(fā)電機整機上極重要的結構部件之一，起著支撐保護、吊裝運輸和提供通風冷卻功能等多種作用，機座一定具備相當?shù)膹姸?。其強度主要考核發(fā)電機在吊裝運輸和正常運行等工況下機座的靜強度是否滿足設計要求。

隨著有限元技術的不斷發(fā)展和完善，利用有限元法對結構部件進行分析已經(jīng)成為提高產(chǎn)品設計質(zhì)量、降低制造成本的有效手段［1］。目前ANSYS公司的最新版ANSYS Workbench 14.0軟件，具有強大的結構、熱、流體、電磁及其相互耦合的分析功能，其全新的項目視圖功能，可將整個仿真流程有機組合在一起，通過拖曳操作即可完成復雜的、多物理場的分析流程［2］。本文使用ANSYS Workbench 14.0系統(tǒng)，先期仿真計算了發(fā)電機的原機座在吊裝運輸時的靜強度；根據(jù)吊裝運輸要求優(yōu)化改進機座吊裝吊耳位置后，分析改進后吊裝運輸時的靜強度，并對比了吊裝吊耳位置優(yōu)化改進前后機座靜強度的結果。

1 原機座靜強度分析

用三維軟件N X建立某型風力發(fā)電機的原機座模型［3］，如圖1所示。機座材料為碳素結構鋼Q235，彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度為7830kg/m3。

圖1 原機座三維模型

在ANSYS 中，為機座模型建立靜態(tài)結構分析項，導入機座模型，并自動劃分網(wǎng)格［4，5］。邊界條件設置為正常吊裝（四吊耳吊裝）和非正常吊裝（對角兩吊耳吊裝）兩種，每種邊界條件下分別設置機座自重和發(fā)電機整機重力兩種載荷。需說明兩點：一是機座或發(fā)電機的非正常吊裝在生產(chǎn)實際中屬違規(guī)操作，此機座仿真設計中引入是為研究非正常吊裝對機座或發(fā)電機所受的應力和變形的影響；二是為簡化建模工作量，發(fā)電機整機重力載荷通過在機座結構的相應配合面上加載質(zhì)量點的方法來等效發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、冷卻器和端蓋等部件的重量。為每種工況均建立應力和變形求解項，分析結果見表1。本文僅給出發(fā)電機整機重力在正常吊裝時的應力和變形云圖，見圖2和圖3。

表1 原模型在不同邊界條件和載荷下的靜強度分析結果

圖2 發(fā)電機整機重力下正常吊裝應力云圖

圖3 發(fā)電機整機重力下正常吊裝變形云圖

機座的設計要求為最大應力不超過材料Q235的屈服極限235MPa并留有足夠設計裕量，最大變形不超過0.5mm。從表1可知，正常吊裝工況1和2下，機座所受的應力和變形均滿足設計要求。但在相同載荷下，非正常吊裝工況機座所受應力和變形均比正常吊裝工況時所受應力和變形要大得多，且工況4發(fā)電機整機非正常吊裝運輸時，機座最大變形量達到1.053mm，大大超過0.5mm，故在生產(chǎn)實際中應嚴格禁止此類非正常吊裝形式，以減少發(fā)電機的應力和變形。

2 優(yōu)化改進機座吊耳位置后的靜強度分析

因發(fā)電機冷卻器結構更改，在原機座正常吊裝時，出現(xiàn)吊耳吊具與冷卻器干涉導致冷卻器端部變形問題，故需優(yōu)化改進機座吊裝吊耳位置，避免上述現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 機座吊裝吊耳位置改進后的新三維模型

優(yōu)化設計考慮將機座吊裝吊耳按圖4所示改進，以解決干涉問題。

機座設計過程的每一次改進均需重新仿真分析，并驗證其靜強度是否符合設計要求。

將改進后的機座新模型導入ANSYS ，按前述的各邊界條件和加載載荷重新設置，經(jīng)仿真分析后的結果見表2。同理本文僅給出模型改進后發(fā)電機整機重力在正常吊裝時的應力和變形云圖，見圖5和圖6。

對比表1和表2，發(fā)電機機座新模型和原模型在分別正常吊裝工況1和2下，所受的應力和變形相當，均滿足設計要求。同樣在相同載荷下，非正常吊裝工況時，機座所受應力和變形均比正常吊裝所受應力和變形也要大得多。即發(fā)電機機座優(yōu)化改進前后靜強度受力分析的規(guī)律相同，說明此發(fā)電機機座優(yōu)化改進機座吊裝吊耳位置是可行的。

表2 新模型在不同邊界條件和載荷下的靜強度分析結果

圖5 新模型下發(fā)電機整機正常吊裝應力云圖

圖6 新模型下發(fā)電機正常吊裝變形云圖

3 結論

本文通過建立原機座法人模型，利用ANSYS有限元軟件模擬分析其吊裝運輸時的靜強度，再根據(jù)生產(chǎn)吊裝運輸要求優(yōu)化改進機座吊裝吊耳位置模型，并分析改進后吊裝運輸時的靜強度。通過對比優(yōu)化改進前后的分析結果，得到機座模型優(yōu)化改進后仍滿足設計要求的結論，達到了優(yōu)化設計的目的。

參考文獻

［1］ 劉建忠.利用有限元法對電機機座的分析和優(yōu)化［J］.防爆電機，2010，45（3）：20-22.

［2］ 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［3］ 劉昌麗，周進.UG NX 8.0完全自學手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［4］ 李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench 設計、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學出版社，2008：28-46.

［5］ 陳艷霞，陳磊.ANSYS Workbench工程應用案例精通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Optimization design for Machine Seat based on ANSYS Workbench

Chaowu Chou， Liang Tan， Shuangquan Liang， Dongni Zhang
（1.CRRC Zhuzhou Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan， 412001， China；2.Jiang Su CRRC Electric Co.， Ltd.， Dafeng， Jiangsu， 224100， China）

Abstract：Calculated and analyzed the Static Strength for a machine seat which its original model was established when hoisting and transportation with ANSYS Workbench 14.0.Meanwhile， improved the hoisting-transportation model， and analyzed its Static Strength.Proving that the improved machine seat still met the design requirements.Through contrastive analysis and calculation results， finite element method was used so that the design achieved the goal of optimization.

Key words：ANSYS Workbench； Machine Seat； Static Strength Analysis

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-168-03

DOI：工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.015

作者簡介：

仇超武（1983-），男，工程師，現(xiàn)從事發(fā)電機設計研發(fā)。

E-mail： Abner_wo@163.com