基于有限元分析的電動機底座結構的優化設計

吳炳勝,邵會超

(河北工程大學機電學院,河北邯鄲056038)

防爆電機是一種可以在易燃易爆場所使用的特種電機,最大的特點就是在運行時不產生電火花。防爆電機的底座是電機中十分重要的部件,它在各種工況下承受著巨大的載荷,若局部的應力過高會導致結構破壞,甚至會引起主軸非正常擺動和機組強振,縮短電機使用壽命,同時帶來重大損失。

傳統的設計方法是采用材料力學的簡化計算與經驗設計相結合的方法來決定其強度,雖然這種設計方法經過實踐證明具有一定的可靠性,但存在設計周期長、結構欠合理、設計過于保守、余量偏大等弊端,這樣造成底座過于笨重,且由于鋼材的大量使用,使得其成本偏高,導致產品缺乏競爭力,所以有必要在保證其使用性能的前提下,對其結構進行輕量化設計。本文采用ANSYS有限元分析軟件,通過對底座板厚的優化設計,在滿足剛度和強度要求下以底座的重量最小為目標,建立底座的有限元模型,并利用其優化功能模塊進行優化處理,為防爆電機的底座優化設計提供參考。

1 有限元模型的建立

在底座的優化設計過程中采用大型通用有限元分析軟件ANSYS11.0,在滿足工作要求的情況下,對底座結構進行優化設計。

優化過程中以底座重量為目標函數,以底座上下面鋼板和加強筋的厚度為設計變量,取其所受應力為狀態變量。將設計變量的參數值設定為底座優化前鋼板厚度的初始值,可建立得到優化前底座的參數模型。底座材料為Q235A,其屈服極限為 235MPa,在靜載下比例極限可以取200MPa,考慮安全系數后,得到強度極限為113MPa。彈性模量 E為196～216GPa,泊松比 μ在0.25～0.33之間,分析中取 E=2.1×1011,PRXY=0.33。對底座進行強度分析時,用自由網格劃分方法,利用solid45四面體等參單元對底座進行有限元網格的自動參數化處理。底座有限元網格如圖1所示,共計27 719個節點,86 771個單元。

2 電機底座的結構優化

優化過程中取電機底座的重量為目標函數,底座結構主要參數:上板厚度為20mm;下板厚度為20mm;短加強筋厚厚度為15mm;長加強筋厚厚度為15mm。對底座結構進行優化設計,定義如下參數:

(1)目標函數OBJ:重量WT最輕。(2)設計變量 DV:0.005m＜UP、DOWN＜0.03m(UP、DOWN為定義的上下板厚的參數)。0.005m＜DJ、CJ＜0.02m(DJ、CJ為定義的斷加強筋、長加強筋的參數,對于結構分析DV的下限必須大于0,故分析時,結合工程實際假設均大于5mm)。(3)狀態變量SV:SMAXQ235A＜113MPa,變形量UMAX＜3mm。

通過選用ANSYS零階優化方法對底座進行優化設計,迭代18步,第11步可尋到最優解。表1給出其中3步的迭代過程,圖2給出機座重量隨著迭代步數變化曲線。

表1 迭代過程表Tab.1 Iterative process table

從表1和圖2可以看出:(1)在滿足狀態變量SV的條件下,優化后上板厚度(UP)為5.07mm,下板厚度(DOWN)為5.05mm,長加強筋厚度(CJ)為5.03mm,短加強筋厚度(DJ)為5.03mm。(2)從目標函數(機座重量kg)隨迭代數變化曲線看出,優化收斂效果較好。(3)機座重量從優化前的3 814.2kg,有效降低到1 285.6kg,重量減輕66.3%。

3 優化前后應力和位移對比分析

圖3為優化前綜合位移圖和等效應力云圖,可以看出:(1)優化前,在靜載條件下,底座最大綜合位移為29.4μ m。(2)x向位移在三坐標方向中變形最大,發生在長加強筋上,最大變形量為6.5μ m。(3)分布載荷作用區域下面加強筋變形較其它位置要大。(4)在靜載條件下,機座最大等效應力為9.71MPa,發生在上板。(5)z向應力在三坐標方向中應力最大,也發生在上板上,最大應力值為5.68MPa。

圖4為優化后底座綜合位移量和等效應力,可以看出:(1)變形和應力分布規律與優化前相似,滿足使用要求。(2)優化后綜合位移為36.9μ m,等效應力為 13.5MPa。優化后位移和應力均比優化前有所增大,但在不影響使用的允許值范圍內,而目標函數機座重量卻得到很大降低,這為其創造更好的經濟效益奠定了基礎。

4 結論

1)通過優化設計,機座重量從優化前的3 814.2kg,有效降低到 1 285.6kg,重量減輕約66%。優化效果良好,節約了原材料,對降低產品成本有顯著效果。

2)由于ANSYS分析法解決優化問題時可以避免計算機編程和煩雜的計算而得到最優解,且計算誤差完全可以滿足工程設計要求,故可廣泛應用于各工程優化設計領域。

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