基于SolidThinking的電機(jī)安裝座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

錢志鵬 邙曉斌 龍 澄 李貝貝 楊永鍵

基于SolidThinking的電機(jī)安裝座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

錢志鵬 邙曉斌 龍 澄 李貝貝 楊永鍵

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

以K/V雙頻段拋物面掃描天線的電機(jī)支架為設(shè)計(jì)對(duì)象，利用SolidThinking Inspire軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證其剛度性能。通過仿真結(jié)果，驗(yàn)證了優(yōu)化的可靠性和有效性，不僅提高了產(chǎn)品機(jī)械性能，而且縮短了設(shè)計(jì)周期。

拓?fù)鋬?yōu)化；懸臂結(jié)構(gòu)；SolidThinking；有限元分析

1 引言

一種K/V雙頻段拋物面掃描天線，其中掃描天線為鋁合金材質(zhì)的拋面鏡。該拋面鏡安裝在電機(jī)支架上，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，支架用于支撐驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其負(fù)載。為保證掃描天線形成的微波光路位置精度，設(shè)計(jì)時(shí)需控制負(fù)載的旋轉(zhuǎn)精度及電機(jī)安裝座的剛度。

SolidThinking inspire應(yīng)用Altair OptiStruct求解器，利用了工程上“拓?fù)鋬?yōu)化”技術(shù)，獲得最省材料的最佳承力結(jié)構(gòu)。非常適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期了解零件內(nèi)部承力特性，輔助對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[1～3]。

2 電機(jī)安裝座設(shè)計(jì)背景

本文所涉及的K/V雙頻段拋物面掃描天線如圖1所示，根據(jù)其功能需求，拋物鏡需要具備旋轉(zhuǎn)掃描的動(dòng)作。該裝置中拋物鏡由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)可通過法蘭接口安裝在支架上，并通過驅(qū)動(dòng)軸輸出運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。電機(jī)支架安裝通過底面螺釘安裝在底板上，整個(gè)裝置處于懸臂狀態(tài)。

圖1 雙波段輻射計(jì)

由圖1可知，安裝座的剛度影響掃描鏡的掃描精度及形成的光路準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)電機(jī)支架時(shí)，需確保其結(jié)構(gòu)剛度。

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

支架的主要負(fù)載為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和拋面鏡的重量。設(shè)計(jì)時(shí)為簡(jiǎn)化模型，將重力負(fù)載轉(zhuǎn)化為負(fù)載質(zhì)心位置處一個(gè)垂直向下的力，該方法在拓?fù)鋬?yōu)化階段和力學(xué)仿真階段都可使用。

3.1 設(shè)置設(shè)計(jì)空間

要執(zhí)行優(yōu)化，則必須先定義一個(gè)設(shè)計(jì)空間和一個(gè)或多個(gè)載荷工況，其中包括載荷和固定約束。設(shè)計(jì)師通過創(chuàng)建模型的設(shè)計(jì)邊界作為設(shè)計(jì)空間，所有SolidThing Inspire優(yōu)化后的形態(tài)都包含在該設(shè)計(jì)空間中[4]。

多數(shù)情況下，需要將載荷和約束施加在設(shè)計(jì)空間周圍的零件上，以此來準(zhǔn)確定義模型。但是，只有設(shè)計(jì)空間本身才會(huì)被優(yōu)化。設(shè)計(jì)空間與周圍相連的零件之間視為“焊接”關(guān)系，沒有相對(duì)滑動(dòng)。安裝座的初始設(shè)計(jì)空間定義如圖2所示。

圖2 安裝座設(shè)計(jì)空間

在圖2中，體特征2作為設(shè)計(jì)空間，后續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將地面安裝面和電機(jī)安裝法蘭面處的實(shí)體隔離作為一般的體特征，分別為體1和體3，不作為優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

3.2 工況分析及約束、載荷定義

在模型中施加載荷、固定約束和材料等參數(shù)，以便設(shè)定優(yōu)化或分析。此外，還可以根據(jù)需要施加位移、加速度、溫度、集中質(zhì)量和形狀控制。

支架主要承載電機(jī)及拋面鏡的重力負(fù)載。計(jì)算負(fù)載質(zhì)量及其質(zhì)心坐標(biāo)位置，這里計(jì)算的負(fù)載質(zhì)量為10kg，質(zhì)心位置為法蘭圓心沿軸向偏置50mm。在質(zhì)心坐標(biāo)位置創(chuàng)建點(diǎn)特征，并通過連接器功能和法蘭安裝面相連接，如圖3所示。

圖3 負(fù)載定義及形狀控制

在質(zhì)心位置創(chuàng)建的特征點(diǎn)上施加豎直向下100N的力，在體3的底面施加一個(gè)6自由度固定的固定約束。

3.3 形狀控制

使用形狀控制對(duì)模型施加諸如拔模方向或?qū)ΨQ等可選約束。雖然優(yōu)化需要載荷和固定約束生成結(jié)果，但施加形狀控制能夠?qū)崿F(xiàn)其他一些需要在優(yōu)化中達(dá)成的設(shè)計(jì)目標(biāo)。形狀控制對(duì)優(yōu)化有效，而對(duì)分析無效。

根據(jù)形狀控制的需求，對(duì)設(shè)計(jì)空間上施加對(duì)稱約束和拔模約束。在設(shè)計(jì)空間中經(jīng)過法蘭圓心、平行于平面的平面上施加對(duì)稱約束，在設(shè)計(jì)空間的底面上施加向上拔模約束，其約束效果如圖3所示。

根據(jù)模型的復(fù)雜程度，優(yōu)化過程可能花費(fèi)數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)。當(dāng)優(yōu)化完成后，可以使用形狀探索器交互查看所生成形狀的結(jié)果模型。

3.4 優(yōu)化求解

拓?fù)鋬?yōu)化施加完約束載荷后，設(shè)置其優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置其目標(biāo)質(zhì)量為30%。根據(jù)實(shí)際加工材料需求，模型中的3個(gè)體的材料都采用鋁（6061）。根據(jù)之前的優(yōu)化設(shè)置，運(yùn)行后得到優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的概念創(chuàng)意設(shè)計(jì)如圖4左圖所示。采用形狀探索器中的自適應(yīng)功能對(duì)剛結(jié)算完的拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行平滑處理，得到結(jié)果如圖4右圖所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)SolidThinking inspire優(yōu)化后得到的概念模型，結(jié)合連接孔及減重腔需求，以及對(duì)零件的制造工藝性分析，綜合考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到的設(shè)計(jì)模型如圖5所示，其質(zhì)量為0.83kg。

圖5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 有限元分析

4.1 有限元模型

采用ANSYS對(duì)支架進(jìn)行四面體網(wǎng)格（solid185）劃分，設(shè)置5mm的網(wǎng)格單元自動(dòng)劃分。該支架材料為鋁（6061），彈性模量=68，泊松比為0.33，密度為2.7×10-6kg/mm3，屈服強(qiáng)度為241MPa，抗拉強(qiáng)度為275MPa。以下對(duì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真對(duì)比[5]。

4.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ挽o力學(xué)分析

根據(jù)接口要求及設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)如圖6所示，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為0.92kg。

圖6 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)模型

根據(jù)上文的工況分析，在負(fù)載質(zhì)心位置創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，并與支架的法蘭接觸面和內(nèi)圓柱面創(chuàng)建1D連接，連接單元為剛性單元（MPC184），KEYOPT屬性設(shè)置為剛性連桿，KEYOPT縮減法設(shè)置為拉格朗日乘數(shù)，得到有限元仿真模型如圖7所示。

圖7 約束邊界及載荷

圖8 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形云圖

在質(zhì)心位置節(jié)點(diǎn)上施加100N豎直向下的力。為簡(jiǎn)化仿真模型，將支架底部的螺紋連接的約束用底面所有節(jié)點(diǎn)的全自由度約束來替代。通過上述設(shè)置對(duì)電機(jī)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的變形與應(yīng)力云圖分別如圖8、圖9所示。

圖9 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

由圖8和圖9可知，支架結(jié)構(gòu)最大變形處位于最上部，最大位移為0.054mm。最大應(yīng)力處位于支架的中部，最大應(yīng)力為3.8MPa。

4.3 拓?fù)鋬?yōu)化模型靜力學(xué)分析

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果設(shè)計(jì)出支架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS求解器對(duì)支架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到模型的變形與應(yīng)力云圖如圖10、圖11所示。

圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的變形云圖

圖11 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

由圖10和圖11可知，最大支架結(jié)構(gòu)最大變形處位于最上部，最大位移為0.028mm。最大應(yīng)力處位于支架的中部的加強(qiáng)筋上，最大應(yīng)力為4.5MPa。計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過SolidThinking inspire軟件優(yōu)化后設(shè)計(jì)的電機(jī)支架在同等工況下，支架的剛度提升，且設(shè)計(jì)的支架質(zhì)量降低，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

以K/V雙頻段拋物面掃描天線得電機(jī)支架為設(shè)計(jì)對(duì)象，利用SolidThinking Inspire軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合工藝性，重新設(shè)計(jì)了支架。利用有限元軟件ANSYS對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，且剛度提升。

通過SolidThinking inspire軟件隊(duì)對(duì)電機(jī)支架的分析，可得到較為合理的結(jié)構(gòu)布局，科學(xué)輔助進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使得結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的過程有了仿真依據(jù)，而且提高了工作效率。

1 高文杰，翁明盛，廖洪波，等. 基于SolidThinking Inspire的汽車板簧支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2015(6)：27～30，59

2 常亮，葉飛，袁正. 基于Solidthinking-Inspire的叉車轉(zhuǎn)向橋橋體設(shè)計(jì)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2013(7)：57～59

3 李陽，高常青，楊波，等. 基于SolidThinking Inspire的水平鉆機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018(3)：6～9

4 張克鵬. 基于HyperWorks的車輛板簧支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 專用汽車，2014(2)：74～77

5 王利鶴，趙永來，崔紅梅，等. 基于ANSYS Workbench的深松機(jī)機(jī)架靜力學(xué)分析及輕量化設(shè)計(jì)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2019(2)：87～93

Optimization Design of Motor Base Based on SolidThinking Inspire

Qian Zhipeng Mang Xiaobin Long Deng Li Beibei Yang Yongjian

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

Taking the motor base on the K/Vdual-band scanning antenna as the design object, the paper optimizes the design of the support structure using SolidThinking Inspire and analyzes the rigidity of the mechanical structure using ANSYS. The reliability and validity of optimization has been proved by the result of simulation. This optimal design improves the mechanical characteristic and shortens the design cycle.

topology；cantilever；SolidThinking；finite element analysis

錢志鵬（1990），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：載荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2020-04-02