三維CAD及CAE技術(shù)在高速離心機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

三維CAD及CAE技術(shù)在高速離心機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳瑋

    [摘要]采用三維CAD及CAE技術(shù)構(gòu)建轉(zhuǎn)子和軸的三維模型，通過有限元法算出轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布情況，分析轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過程中的強(qiáng)度裕度和破裂轉(zhuǎn)速；對軸進(jìn)行模態(tài)分析，確定其直徑和長度。參照分析結(jié)果設(shè)計(jì)出來的零部件，在實(shí)際試機(jī)過程中取得了較好的一致性。這一技術(shù)方法在設(shè)計(jì)工作中對提升產(chǎn)品性能、提高設(shè)計(jì)效率等方面具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

    [關(guān)鍵詞]CAD/CAE；有限元法；模態(tài)分析；轉(zhuǎn)子

    [中國圖書資料分類號]TP311.13；TH776[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B[文章編號]1003-8868（2010）09-0107-02

    1·引言

    實(shí)驗(yàn)室高速離心機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)，特別是生命研究不可缺少的工具。在細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的每一發(fā)展中，總能見到離心技術(shù)的應(yīng)用。

    隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)離心機(jī)向著高可靠性、高控制精度、低振動和低噪聲的方向發(fā)展。而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于創(chuàng)新能力和先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

    在當(dāng)今的離心機(jī)設(shè)計(jì)中，一方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要采用傳統(tǒng)的手工繪圖或二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，CAD）系統(tǒng)，但二者很難描繪三維空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動和進(jìn)行產(chǎn)品裝配干涉檢查等工作，對減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯誤、設(shè)計(jì)更改和返工現(xiàn)象并無重大影響，對企業(yè)最需要的設(shè)計(jì)時(shí)間、質(zhì)量、成本的要求也沒有多大的提高。因其工作流程是按順序進(jìn)行的，從而導(dǎo)致很多時(shí)候零部件做出來了，但對產(chǎn)品進(jìn)行試裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)干涉或設(shè)計(jì)不合理等現(xiàn)象[1]。因其在設(shè)計(jì)早期不能全面考慮下游過程的要求，從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在很多缺陷，造成設(shè)計(jì)修改工作量大、開發(fā)周期長、成本高。另一方面，在強(qiáng)度和剛度分析上采用的仍然是傳統(tǒng)材料力學(xué)簡化計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。雖然這種設(shè)計(jì)方法經(jīng)過實(shí)踐證明具有一定的可靠性，但存在諸多弊端：（1）采用這種方法設(shè)計(jì)周期長，按照材料力學(xué)原理和簡化經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行手工計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，會耗費(fèi)大量時(shí)間，且設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性不易保證；（2）結(jié)構(gòu)組件冗余，耗材多，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在材料使用上偏于保守，比國外同種規(guī)格產(chǎn)品質(zhì)量大，削弱了產(chǎn)品的競爭力。目前的三維CAD系統(tǒng)，可方便地設(shè)計(jì)出三維實(shí)體產(chǎn)品模型。與二維實(shí)體模型相比，三維實(shí)體模型具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）進(jìn)行裝配和干涉檢查；（2）對重要零部件進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)輔助工程）（computer aided engineering，CAE）；（3）啟動三維、二維關(guān)聯(lián)功能，由三維直接自動生成二維工程圖紙；（4）進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)的共享與集成等。

    CAE技術(shù)是CAD技術(shù)的延伸，是企業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有利工具。CAE技術(shù)的應(yīng)用主要在分析和優(yōu)化2個(gè)方面。有限元分析又可分為通用有限元分析和專用有限元分析。優(yōu)化是根據(jù)分析的結(jié)果，對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，從而使結(jié)構(gòu)和形狀都達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

    現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展推動了CAD/CAE技術(shù)的內(nèi)涵和外延向更深、更廣的方向發(fā)展：一方面，原有的學(xué)科更加工程實(shí)用化，學(xué)科方向不斷拓展；另一方面，與相關(guān)技術(shù)日益結(jié)合，朝集成化、一體化的方向發(fā)展。所有CAE工作最初始的起點(diǎn)都是產(chǎn)品的幾何實(shí)體模型，為提高效率、避免重復(fù)勞動，最基本的出發(fā)點(diǎn)是三維CAD與CAE之間共享幾何模型，即CAD－CAE接口。

    基于以上設(shè)計(jì)思想，在高速離心機(jī)的設(shè)計(jì)中，首先構(gòu)建其數(shù)字化模型，然后利用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)方案的評估（包括通過零部件三維實(shí)體設(shè)計(jì)，快速得到產(chǎn)品幾何模型，以及核心零件轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度分析、電動機(jī)軸的臨界轉(zhuǎn)速確定及橡膠減振系統(tǒng)非線性分析等），從而使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，更加安全可靠，同時(shí)又達(dá)到縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)費(fèi)用的目的[2]。

    2 ·CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用流程

    CAD/CAE技術(shù)在高速離心機(jī)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用流程，如圖1所示。

                
    3·分析計(jì)算

    3.1高速離心機(jī)轉(zhuǎn)子有限

    元模型的建立根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立轉(zhuǎn)子三維幾何建模[3]，然后在ANSYS中進(jìn)行求解和有限元后處理過程。完成后的模型如圖2所示。

              
    實(shí)體模型建立后，傳入ANSYS中進(jìn)行有限元模型的建立。有限元網(wǎng)格選用三維四面體單元，該類型單元可保證計(jì)算的精確性。有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為81 188，節(jié)點(diǎn)數(shù)為17 114。網(wǎng)格劃分完畢，即進(jìn)行載荷與邊界條件的添加。

    根據(jù)大轉(zhuǎn)子的實(shí)際工作狀態(tài)，載荷與邊界條件的添加如下：（1）位移邊界條件為約束轉(zhuǎn)子與軸配合的內(nèi)孔，約束3個(gè)方向的平動以及繞除了內(nèi)孔軸線以外的其他2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動；（2）根據(jù)轉(zhuǎn)子的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，對整個(gè)有限元模型添加慣性力載荷，即轉(zhuǎn)速。
    完成后的有限元模型如圖3所示。

            
    3.2強(qiáng)度分析

    大轉(zhuǎn)子在實(shí)際工作轉(zhuǎn)速條件下的強(qiáng)度情況是轉(zhuǎn)子以16 000 r/min旋轉(zhuǎn)條件下的應(yīng)力和位移分布情況。通過計(jì)算，轉(zhuǎn)子在16 000 r/min狀態(tài)下應(yīng)力分布情況如圖4所示，其最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置如圖5所示，其變形情況如圖6所示。

               
                           
    最大應(yīng)力出現(xiàn)在與軸配合的孔邊，數(shù)值為74.75MPa，最大變形出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的邊緣，數(shù)值為0.018mm。

    3.3電動機(jī)軸臨界轉(zhuǎn)速分析

     離心機(jī)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)由于其臨界轉(zhuǎn)速的存在必然會引起振動，而過大的振動往往是機(jī)械損壞的主要原因，所以對其動態(tài)特性分析是非常重要的。模態(tài)分析就是用于確定設(shè)計(jì)中零部件的振動特性（固有頻率和振型），其過程主要有建模、加載、求解、檢查結(jié)果4個(gè)步驟[4-5]。根據(jù)圖紙構(gòu)建離心機(jī)軸當(dāng)量模型，計(jì)算出1階振動頻率為174.58 Hz，其變形如圖7所示；2階振動頻率為229.3 Hz，其變形如圖8所示；3階振動頻率為996.26 Hz，其變形如圖9所示。

            
    從計(jì)算結(jié)果來看，他們均與離心機(jī)267Hz的振動頻率相差較遠(yuǎn)。

    3.4計(jì)算結(jié)果分析

    通過上述計(jì)算，得出如下結(jié)論：（1）在實(shí)際工作條件下，該大轉(zhuǎn)子具有足夠的強(qiáng)度儲備；（2）離心機(jī)在最高速度運(yùn)行時(shí)規(guī)避開了臨界轉(zhuǎn)速，從而可以安全運(yùn)行；（3）通過增加柔性減振系統(tǒng)，可進(jìn)一步達(dá)到減振、減噪和使用安全性。

    [參考文獻(xiàn)]

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