搜索實(shí)例操作|新能源汽車用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的全磚形單元劃分方法【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-11-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1. 前言
如今,永磁同步電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域有著壓倒性的市場占有率。其轉(zhuǎn)子部分極高的工作轉(zhuǎn)速與復(fù)雜的結(jié)構(gòu),使CAEr們對其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的分析提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了降低計(jì)算規(guī)模,保證計(jì)算精度,將轉(zhuǎn)子鐵心劃分出全磚網(wǎng)格也挑戰(zhàn)著廣大CAEr的前處理技能。
本文以某常見結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子為例,介紹采用SolidWorks軟件創(chuàng)建幾何模型,并使用ANSYS Workbench Meshing模塊劃分網(wǎng)格的方法與技巧。
由于轉(zhuǎn)子模型有著周期對稱特性,建模時(shí)可首先建立最小周期模型,并根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指畈僮?以利于將復(fù)雜的幾何外形剖分為多組可掃掠可映射的簡單形狀,并適當(dāng)簡化局部細(xì)小特征,即可較為方便的劃分網(wǎng)格。
本文的幾何建模部分與剖分操作均在SolidWorks軟件中完成;網(wǎng)格劃分部分與求解部分采用了ANSYS Workbench。
本文主要由兩個(gè)部分組成:首先是轉(zhuǎn)子鐵心部分的建模和網(wǎng)格劃分;另一部分是轉(zhuǎn)子部分的建模與網(wǎng)格劃分。最后將二者聯(lián)合成裝配體劃分整體網(wǎng)格。
2. 轉(zhuǎn)子鐵芯部分的建模與網(wǎng)格劃分
Step1:根據(jù)工程圖創(chuàng)建所需的幾何模型。 打開Solidworks并創(chuàng)建一個(gè)新文件。如圖-1所示。
圖-1 新建模型
Step2:創(chuàng)建最小周期截面形狀的45度圓心角扇形模型。如圖-2所示。
圖-2 扇形草圖
Step3:拉伸模型。為了節(jié)約計(jì)算量,只講扇形模型拉伸2mm厚度,創(chuàng)建實(shí)體模型。如圖-3所示。
圖-3 拉伸草圖
Step4:繪制磁鋼位置的草圖。為以后切除該部分模型作準(zhǔn)備。
圖-4 繪制磁鋼草圖
Step5:繪制減重孔草圖。在鐵芯模型靠近圓心一側(cè)繪制兩組1/2減重孔模型的草圖。如圖-5所示。
圖-5 繪制減重孔草圖
Step6:切除草圖輪廓。采用拉伸切除功能將剛剛創(chuàng)建的磁鋼部分草圖和減重孔部分的草圖從實(shí)體模型中切除掉。效果如下圖所示。
圖-6 扇形部分模型
至此,本文所需的最小輪廓幾何模型已經(jīng)創(chuàng)建完畢,下面對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并分割。
Step7:進(jìn)行拓?fù)浞治霾⒎指钅Ｐ汀Ｍ負(fù)浞治雠c分割操作1:由于本模型有圓周對稱特性,可以將其以多組同心圓的方式進(jìn)行切割,尤其是對于靠近軸心一側(cè)的部分,將其剖分出較薄的環(huán)形模型有利于保證過盈配合分析時(shí)網(wǎng)格劃分的可控性和計(jì)算精度。其剖分路徑與尺寸如下圖所示。如圖-7所示。
圖-7 環(huán)形剖分
具體的分割命令位置如下圖所示,為插入—特征—分割。如圖-8所示。
圖-8 分割操作的位置
選擇分割操作按鈕后,會彈出確認(rèn)對話框,單擊確定即可。如圖-9所示。而分割所遵循的路徑依照上一步草圖劃分操作。
圖-9 確認(rèn)分割
需要注意的是,執(zhí)行分割操作前,應(yīng)保證分割的范圍為一個(gè)封閉截面,既可以一次性的將模型分割為最少兩個(gè)互相獨(dú)立的部分,還應(yīng)保證分割線互相不可交叉。
在左側(cè)選擇分割體。對于本模型,可以全部選中“所產(chǎn)生的實(shí)體”中分割出的各局部模型。對于某些情況,可以只選取部分模型進(jìn)行分割,以實(shí)現(xiàn)不需要分割的模型不被該草圖分割掉。另外需要注意的是,部分版本的Solidworks執(zhí)行分割操作時(shí),會自動的選取下方的“消耗切割實(shí)體”。如果選中則分割后的模型將消失。對于部分情況下,其可以使用,對于本模型不需要。設(shè)置完畢后向上單擊綠色對號按鈕確認(rèn)。如圖-10所示。
圖-10 設(shè)置分割
在執(zhí)行分割操作前,模型默認(rèn)為白色,選中的剖分部分將被黃色或者紫色顯示。如圖-11所示。
圖-11 分割路徑
拓?fù)浞治雠c分割操作2:分割磁鋼位置的模型。由于磁鋼外側(cè)的隔磁橋的寬度較窄小,剖分時(shí)在模型外圈近似圓形的繪制剖分路徑。
需要注意的是,由于磁鋼孔處有小直徑倒角,剖分路徑應(yīng)穿過倒角1/2位置,而不應(yīng)該直接在倒角切線或者延長線方向剖分。這樣是為了避免模型剖分出極為尖銳的局部,以保證網(wǎng)格質(zhì)量。
而后設(shè)置下部隔磁橋處的剖分路徑。由于外圈模型已經(jīng)被剖分為近似扇形,則該隔磁橋剖分時(shí),剖分草圖應(yīng)向上略有凸起,以順應(yīng)模型形狀的變化規(guī)律,保證網(wǎng)格尺寸過渡的平順。最后,在磁鋼孔底部位置向外垂直于隔磁橋方向繪制剖分草圖,以講模型左右兩邊剖分成近似梯形。最后使用分割命令將其逐個(gè)分割。如圖-12所示。
圖-12 分割磁鋼孔與隔磁橋
拓?fù)浞治雠c分割操作3:分割磁鋼孔底部的模型。其底部模型被垂直于磁鋼孔的分割路徑以及環(huán)形分割路徑剖分成近似三角形模型。此類模型可以采用Y形剖分的方法,以改善頂部的網(wǎng)格質(zhì)量。
其主要又兩個(gè)步驟組成,首先在三角形頂角繪制一個(gè)近似三角形外突的剖分路徑。如圖-13所示。并分割,如圖-14所示。剖分后可將三角形部分模型分割為三個(gè)部分。如圖14深色區(qū)域所示。
圖-13 三角形頂部剖分路徑
圖-14 剖分三角形頂部
第二步是在第一步三角形剖分路徑的基礎(chǔ)上,連接剖分定點(diǎn),并向下繪制圓弧,將模型分割為近似扇形和近似倒V形兩部分,并剖分。如圖-15所示。
圖-15 二次剖分
拓?fù)浞治雠c分割操作4:分割磁鋼孔頂部的模型。由于隔磁橋的存在,磁鋼孔頂部的模型與磁鋼孔頂部尺寸變化巨大,其不利于網(wǎng)格尺寸的平滑過渡,可以采用平行四邊形分割路徑將其緩慢分割。如圖-16所示。
圖-16 平行四邊形分割路徑
拓?fù)浞治雠c分割操作4:對半分割模型。由于模型在存在反對稱特性,可以在中部劃分一組徑向分割路徑,以將其分割為兩組22.5度圓心角的扇形模型。如圖-17所示。將其命名為“模型3 沖片”模型,并保存。
圖-17 對半分割
Step8:創(chuàng)建完整圓周模型。最小對稱的45度扇形模型的創(chuàng)建與分割操作完成,下面基于此采用圓周陣列的方法創(chuàng)建360度完整模型。新建一個(gè)裝配體模型,如圖-18所示。
圖-18 新建裝配體模型
創(chuàng)建裝配體文件后插入模型,既剛剛建立的45度扇形部分模型。找到并打開模型,如圖-19和圖-20所示。
圖-19 插入零件
圖-20 打開模型
單擊線性陣列按鈕下方的黑色三角圖標(biāo),單擊圓周零件陣列按鈕。如圖-21所示。
圖-21 圓周陣列功能
選擇模型內(nèi)側(cè)圓弧為圓周陣列的基準(zhǔn)圓,并設(shè)置陣列角度和數(shù)量。如圖-22所示。
圖-22 設(shè)置陣列參數(shù)
Step9:創(chuàng)建平鍵模型。本模型為了保證某性能,在內(nèi)側(cè)有一個(gè)平鍵,如果在創(chuàng)建45度模型時(shí)繪制其模型,則在陣列時(shí)講被同時(shí)陣列。故建模時(shí)僅建立內(nèi)側(cè)圓弧,而在裝配體階段切除外側(cè)模型,以留出平鍵。創(chuàng)建構(gòu)造線,劃分舉行平鍵輪廓草圖。如圖-23所示。
圖-23 平鍵輪廓草圖
創(chuàng)建平鍵輪廓外圈環(huán)形的草圖,并將其與圖-23的草圖合并。如圖-24所示。
圖-24 繪制外側(cè)草圖
使用切除功能將平鍵外圈的環(huán)形部分切除。如圖-25所示。
圖-25 切除平鍵外側(cè)部分
Step10:保存模型。本模型創(chuàng)建并分割完成,下面將其保存為裝配體。如圖-26所示。
圖-26 保存模型
為了減少模型文件體積,加快導(dǎo)入速度,可將其另存為X-T格式。如圖-27所示。
圖-27 另存為
Step11:使用ANSYS DM模塊處理模型。由于本模型經(jīng)過了多次分割操作,為多實(shí)體模型(Solidworks中的術(shù)語),如果直接導(dǎo)入ANSYS Workbench其會自動的在多實(shí)體模型的零件互相自動的創(chuàng)建綁定接觸,以將其連接。而在不需要考慮接觸的分析中,如本案例,可以將其導(dǎo)入DM模塊,通過Form new part操作合并節(jié)點(diǎn)。打開一個(gè)靜力學(xué)分析模塊后,右鍵單擊Geometry,在進(jìn)入綠色的DM模塊。如圖-28所示。
圖-28 打開DM模塊
Step12:劃分初始網(wǎng)格。在DM模塊中刷新模型后,以選體的形式選中全部模型,右鍵單擊Form new part。如圖-29所示。
圖-29 合并模型
關(guān)閉并保存模型,打開靜力學(xué)分析模塊的Mesh模塊,采用默認(rèn)設(shè)置劃分網(wǎng)格。如圖-31所示。
圖-31 網(wǎng)格參數(shù)
劃分出的網(wǎng)格如圖-32所示,可以看出其絕大多數(shù)位置的單元形狀較為規(guī)整。
圖-32 劃分出的網(wǎng)格
Step13:在Workbench 17.0以上版本可以直接在顯示模式中下拉選擇以云圖形式查看單元質(zhì)量。如圖-33所示。
圖-33 顯示單元質(zhì)量分布
Workbench中可以方便的調(diào)整云圖圖例的顏色,以利于查看特定的結(jié)果。逐個(gè)雙擊左側(cè)的圖例顏色,將部分修改為純白色,可以將較差的模型比較明顯的突出。如圖-34所示。
圖-34 較差的單元位置
可以看出在局部位置有一些單元質(zhì)量0.6以下的模型。而單元質(zhì)量指標(biāo)是單元體積與尺寸的比例關(guān)系指標(biāo),其越接近1,說明其形狀越規(guī)整。
3. 轉(zhuǎn)子部分的建模與網(wǎng)格劃分
Step14:轉(zhuǎn)軸部分的建模。繪制草圖并使用旋轉(zhuǎn)功能創(chuàng)建基本模型,如圖-35所示。
圖-35 轉(zhuǎn)軸的基本模型
Step15:整體建模。本模型建模時(shí)采用的思路是先講轉(zhuǎn)軸部分與鐵芯定位,然后根據(jù)實(shí)際位置關(guān)系在對其剖分處理。將轉(zhuǎn)軸和鐵芯模型再次創(chuàng)建新一級裝配體模型。使用圓柱配合與邊線配合的方法定位。如圖-36所示。
圖-36 組裝的模型
采用的操作為單擊文件,從裝配體制作裝配體。如圖-37所示。
圖-37 創(chuàng)建裝配體
多零件裝配定位需要配合時(shí),分別選取轉(zhuǎn)軸的外側(cè)和鐵芯的內(nèi)側(cè),其將以同圓形的方式進(jìn)行配合。如圖-38所示。
圖-38 圓周配合
其他位置采用平鍵平面配合以及軸向的邊線配合等,最終完成定位配合操作。成品模型如圖-39所示。
圖-39 裝配好的模型
Step16:剖分轉(zhuǎn)軸模型。基本思路是先講轉(zhuǎn)軸分割為多組圓柱模型,再徑向分割。由于模型存在倒角和其他定位尺寸,繪制剖分路徑的時(shí)候,一方面在倒角的軸向兩側(cè)一定距離繪制剖分草圖,以方便使其網(wǎng)格過渡的比較平緩。如圖-40所示。
圖-40 剖分路徑
由于轉(zhuǎn)軸存在一個(gè)平鍵槽,為了保證該處的網(wǎng)格質(zhì)量,在徑向平面處,采用了十字星的剖分路徑,兩次剖分。第一次劃分與平鍵重合的剖分路徑,剖分全部模型第二次垂直于其繪制相同尺寸的剖分路徑,并剖分。完成的模型如圖-41所示。
圖-41 剖分后的模型
Step17:合并轉(zhuǎn)軸模型零件。保存模型,回到ANSYS Workbench,打開DM模塊,導(dǎo)入轉(zhuǎn)軸模型并用上文方法合并。如圖-42、圖-43所示。
圖-42 打開DM模塊
圖-43 合并零件
Step18:劃分轉(zhuǎn)軸的初始網(wǎng)格。保存后打開Mesh模塊采用自動設(shè)置劃分網(wǎng)格。如圖-44所示。
圖-44 初始網(wǎng)格
Step19:二次分割模型改善網(wǎng)格?？梢钥闯鼋M合后的模型劃分的網(wǎng)格為部分四面體部分六面體,而其徑向平面處的模型存在小直徑圓柱和大直徑圓柱較大比例的過渡段,此類部分不利于六面體網(wǎng)格的劃分?；氐絊olidworks以后采用多組同心圓剖分路徑的方法將轉(zhuǎn)軸分割為多組圓環(huán)并使用DM模塊合并以后劃分網(wǎng)格如圖-45所示。更新后的網(wǎng)格如下圖-46所示。
圖-45 分割路徑
圖-46 另一個(gè)角度的模型
圖-47為從另一個(gè)角度查看的網(wǎng)格。其在少量倒角位置為四面體外,其他部分為磚形網(wǎng)格。
圖-47 另一個(gè)角度查看網(wǎng)格
由于本模型中心部分被兩次十字形剖分以后,中心的矩形尺寸較小,不利于網(wǎng)格劃分?；氐絊olidworks,在中心部分新增了一個(gè)尺寸略大的舉行剖分路徑,軸向全剖分模型,使用上文操作劃分網(wǎng)格后,如圖-48所示。其已經(jīng)是全磚形網(wǎng)格了。
圖-48 全磚形網(wǎng)格
使用切片功能繪制兩個(gè)切片,可以查看內(nèi)部的網(wǎng)格分布。如圖-49所示。
圖-49 內(nèi)部網(wǎng)格分布
4. 轉(zhuǎn)子與鐵芯組成裝配體并劃分網(wǎng)格
Step20:合并整體模型并劃分網(wǎng)格。由于本模型未來將在轉(zhuǎn)軸與鐵芯接觸位置考慮過盈配合,則應(yīng)保留此處的接觸,其他位置合并。分別選取需要合并的模型將其Form new part 并隱藏已經(jīng)合并的部分再合并其他部分。合并完成后的模型如圖-50所示。
圖-50 合并后的模型
在DM特征樹中可以看出本模型已經(jīng)變?yōu)?個(gè)Part。如圖-51所示。在Workbench中兩個(gè)Part互相其將自動的生成綁定接觸。如果需要考慮過盈配合,可以將其修改為其他的接觸形式,如摩擦接觸等。
圖-51 模型的特征樹
關(guān)閉DM模塊進(jìn)入靜力學(xué)分析模塊后,查看接觸設(shè)置可以看到轉(zhuǎn)軸與鐵芯模型結(jié)合位置被創(chuàng)建了大量的綁定接觸。
圖-52 生成的接觸
使用自動網(wǎng)格劃分操作創(chuàng)建的網(wǎng)格,如圖-53和圖-54所示。其已是全磚形單元。
圖-53 生成的網(wǎng)格
圖-54 局部網(wǎng)格
5. 總結(jié)
至此,本文已經(jīng)完成了對永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子和鐵芯部分的幾何模型創(chuàng)建操作、鐵芯網(wǎng)格劃分、轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格劃分、整體網(wǎng)格劃分操作。最終創(chuàng)建了全磚形網(wǎng)格。
采用本文所示的基本思路,也可以使用其他建模軟件中的使用類似的分割功能,創(chuàng)建所需的幾何模型。其基本流程與思路也應(yīng)用在其他類似模型的處理之中。
作者:劉笑天,就職于某主機(jī)廠研究院,主管新能源汽車驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)cae仿真分析,西莫電機(jī)論壇版主,擅長機(jī)械設(shè)計(jì)與cae,cfd仿真,獨(dú)立編著的《Ansys Workbench結(jié)構(gòu)工程高級應(yīng)用》已于2015年出版,與人合著《Ansys Workbench 有限元分析工程實(shí)例詳解》一書即將上市
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