基于PTCCreoSimulate的電機元件優化設計

楊麗娟

摘 要： 利用PTC Creo Simulate軟件對電機元件進行3D參數化建模與模態分析，找到了電機設計過程中缺陷和不足，提出了解決方案并對電機元件結構進行優化，建立了優化模型，最后以PTC Creo Simulate軟件再次驗證設計結果。結果表明，該方法解決了結構設計及力學特性等方面問題，減少研發時間，提升設計效率。

關鍵詞： PTC Creo Simulate； 電機元件； 優化設計； 模態分析； 結構優化

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

0 引 言

電機安裝元件種類繁多，適用的環境與受力的類型不同，會發生斷裂、開裂等現象，因此電機元件的結構優化也是亟需考慮的問題。傳統的電機元件設計往往需要設計人員根據產品設計規格說明書對電機元件進行3D建模設計，然后通過計算來確定電機元件的安全系數并制造樣品進行試驗，通過在相同條件下反復測試，不斷調整設計與加工，消除缺陷，直至滿足產品質量要求。這樣不僅花費大量的人力與財力，其準確性也得不到保證。

PTC Creo Simulate是一款靜動態分析、模態分析及優化設計的軟件，其直觀、人性化的用戶界面提高了用戶設計效率。它在設計過程中能無縫集成模擬工作環境，進行實際應用的真實條件（如約束、載荷、材料屬性）等參數的設置，從而獲得實際的性能數據，及早識別機電零件的問題區域，迅速發現設計缺陷，洞察產品性能。通過PTC Creo Simulate軟件實現電機元件結構優化的參數化設計，對提高開發效率具有較大意義。

1 運用軟件分析產品問題并提出解決方案

1.1 電機元件的3D參數化建模

圖1為后輪制動卡鉗設計結果。應用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行3D參數化建模。根據使用功能與設計意圖完成產品初期設計，創建初始數據并建立對產品的直觀認識，同時對幾何模型進行質量計算與物理分析，獲得產品的質量屬性：體積為3.7966163×105 mm3；質量為2.9841404 kg。

1.2 運用PTC Creo Simulate軟件進行分析

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常用到的基本材料，其常用的制造方法多為鑄件，能適應形狀復雜零件的鑄造。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行設置，定義完成后，建議自定義的新材料可存入庫中，方便后續使用。從材料的力學性能與成本經濟性角度考慮，選擇碳素結構鋼Q235-A，其彈性模量為2.12×105 MPa，泊松比為0.288，質量密度為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，根據電機支架的運用環境，在PTC Creo Simulate模擬實際運用環境，對其進行邊界條件的設置，即：力/力矩負荷（在點、邊/曲線或曲面上）；壓力負荷（在曲面或2D 模型的曲線上）；承載負荷（在圓孔中）；主體負荷（重力、離心力、溫度）。

1.2.3 設置電機元件的載荷

在軟件模量模型中設置邊界條件（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DOF。內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 電機工作結構分析

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

1.3 解決方案

結合上述分析結果，對后輪制動卡鉗的結構進行優化。優化目標是獲取符合模型設計目的的最佳可能幾何形狀，同時在考慮產品的制造成本上，希望質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。

根據對比篩選，考慮產品的設計要求，采用最經濟最適用的解決方案。本研究采用方案一：在折彎處創建圓角，來減輕應力集中。圓角過大，是否會影響產品的質量；圓角過小，能否解決應力集中問題。在遵循最小化質量條件原則下，利用PTC Creo Simulate軟件建立設計優化模型。根據材料的屈服強度，設置目標的最大應力不超過235 MPa，限制的圓角大小在1～4 mm范圍。通過再次驗證設計結果，獲得最佳的倒圓角值為3 mm，最大應力值為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進行產品設計前后的對比結果。由圖7可以看出，采用PTC Creo Simulate進行產品設計后，相比于過去已制造物理樣機的方式進行產品的驗證，采用PTC Creo Simulate進行電機元件參數化設計并進行結構優化設計，能及早洞察產品性能，并提前發現設計缺陷，同時提高首次制造產品成功的幾率，改善產品質量，減少制造物理樣機，降低開發成本，加速產品上市時間。

3 結 論

根據分析結果進行結構優化，改進后結構承受的最大應力有明顯的降低，符合設計目的。同時產品驗證與產品設計采用同種數據，減少數據轉換，實現設計的快速變更。

對比現行企業運用的設計方法和思路，對設計過程進行了優化，完成從“數據采集”→“設計及變更”→“產品驗證”的過程，實現提升設計效率，節省產品上市時間的目的。

參考文獻：

[1] 許鵬，宋培剛，聶旺輝. 電機支架可靠性分析及優化[J]. 家電科技，2012（3）：81-83.

[2] 趙冰，彭彥平，孫秋花. 基于Pro/Mechanica的輥壓筒優化設計[J]. 大連工業大學學報，2013（3）：21-23.

[3] 李初曄，孫彩霞，張喻林. 旋壓機電機支架的有限元分析與結構優化[J]. CAD/CAM與制造業信息化，2010（2）：77-79.

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

（責任編輯：徐興華）