SolidWorks平臺的電機虛擬設計-SolidWorks培訓

2013-05-26  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

湘潭電機集團有限公司一直享有“電工產品搖籃”的美譽。主要為能源、交通、礦山、國防等服務,先后研制開發(fā)新產品1000多項,100多種重大新產品填補了國內空白,開創(chuàng)了中國機電產品眾多第一。主要生產大中型直流電機。

在“甩圖板”精神的指導下,上世紀90年代初選擇了開目CAD/CAPP系統和AutoCAD軟件作為信息化建設的基礎平臺,并進行了大量的定制開發(fā)工作,形成了一套系統的、基于二維CAD平臺的設計、制造系統。

二維設計手段導致設計人員大量的時間(60%)花費在簡單的重復勞動上(計算各尺寸的變化值),沒有更多的時間來考慮設計的創(chuàng)新和改進。二維設計中各零部件之間尺寸不存在關聯,在頻繁的圖紙修改過程中勢必會出現前后尺寸不符、相互干涉的問題,如下風罩尺寸修改,而冷卻器、基座等關聯尺寸沒有更改,導致無法裝配的問題。

為了把企業(yè)的設計水準從“經驗性設計”提升到“科學性設計”,確立了采用虛擬設計技術的戰(zhàn)略方向。2001年采購了主流三維CAD軟件SolidWorks,實現了無差錯設計,并選定 SolidWorks 作為企業(yè)三維CAD應用的首選軟件,2003年采購了COSMOS系列軟件,進行電磁分析、流場分析和結構強度分析,初步構建了電機虛擬設計仿真平臺。

企業(yè)虛擬設計平臺的構建需要前瞻性的眼光,而普及應用的路則更難,需要一套切實可行的實施策略,將虛擬設計技術用于企業(yè)的產品開發(fā),以適應經濟全球化的趨勢和進入WTO后的面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

    一、電機設計平臺的結構

構建虛擬設計平臺的目標是在產品設計方案定型或產品加工前,通過計算機仿真模擬將問題盡量在計算機上解決,要實現這一目標,必須高起點地建設創(chuàng)新設計平臺。根據電機產品的設計特點,湘潭電機集團有限公司構建了如下的設計平臺。

    1. 基于SolidWorks的三維設計平臺

大型電機產品是典型的定制化生產產品,設計工作量很大,采用二維設計軟件差錯比較多,尤其是在老圖紙修改過程中,錯誤比較多,采用三維CAD可以大幅度地減少設計錯誤,提高設計效率。

三維CAD軟件是制造業(yè)信息化建設的基礎,只有采用三維CAD軟件,設計的產品才能直接導入CAE軟件進行電磁場分析、結構分析、熱與流體分析;才能導入CAM軟件生成供數控機床使用的數控代碼,才能為鑄造工藝設計提供零件的質量數據。大型電機的機體以焊接件為主,SolidWorks的焊接件設計模塊能有效地提高焊接件的設計效率。

在對電機設計深入了解后,利用SolidWorks的參數化設計特點和設計庫功能,可以非常容易地構建一套易于使用的傻瓜型電機改型設計系統。設計人員只要輸入相關參數后即可完成電機關鍵零部件的自動設計,大幅度提高設計效率。

    2. 基于COSMOSWorks結構強度及動態(tài)特性分析

電機設計遇到的主要問題有振動、噪聲和溫升三個方面,它們的好壞直接決定了電動機的性能。國內廠家生產的電機往往 “傻、大、笨、粗”,就是因為國內企業(yè)沒有使用CAE軟件幫助分析電機的模態(tài)、振型等參數。要避免振動、噪聲,只有采用加大自重的手段。電機是典型的旋轉動力機械,始終工作在高速旋轉的諧載荷下,必須分析電機的各階固有頻率、模態(tài)與振型,分析電機在諧載荷作用下的應力、應變。對結構進行優(yōu)化設計,通過改變設計參數,在滿足應力、應變及模態(tài)頻率的基礎上追求質量最小。

COSMOSWorks提供了電機結構強度分析的完整解決方案。電機結構要有足夠的強度,往往導致結構尺寸較大,體積大,質量大,結構笨重,成本高,通過COSMOSWorks的結構分析可以確定合理的結構尺寸,做到在保證結構穩(wěn)定安全工作的同時又能減小結構尺寸和重量,從而降低成本。通過結構靜力分析可以得到結構在受到各種載荷作用下的應力分布和變形情況,為結構的剛強度設計提供依據。電機里面有旋轉的轉子,轉子在啟動、停止、及工作過程中隨負載工作情況會不斷變化,在這種運動情況下需要進行結構動力學的分析。首先確定結構的固有振動特性,包括轉子、定子及電機殼體及整體的固有頻率、振型等,避免結構的共振,保證轉子運轉的平穩(wěn),無振動。另外還考慮結構受正弦、隨時間任意變化的瞬態(tài)載荷作用下響應問題,在一定載荷譜作用下結構的響應。底座、軸、支撐必須精確進行考慮,旋轉盤軸的動力學特性分析,以保證轉子系統穩(wěn)定的工作。電機或電磁開關在突然啟動、受到沖擊或電源干擾等等情況下,往往產生很大的扭矩或其它作用力,嚴重時會導致某些零部件損毀,這可以用CAE的結構分析來進行計算。

如果通過試驗手段來確定結構的強度是否合理,需要作大量的試驗才能夠在保證結構合格的情況下減輕構件的重量。利用有限元分析軟件,能夠進行構件的強度、振動模態(tài)、屈曲、動力響應、結構的參數和拓撲優(yōu)化,一方面檢驗當前設計中存在的結構強度方面的問題,另一方面,可以通過分析得到當前結構在哪些地方還留有較大裕量,為進行結構的減重提供依據,降低產品成本。

    3. 基于COSMOS EMS 的電磁場分析

傳統的電機學和電機設計中,習慣地把電機的分析和計算歸結為電路和磁路的計算問題。實際上,電路和磁路中的各個參數是由電機電磁場的場量得來,由于數值計算和仿真技術的不斷發(fā)展,可以直接使用有限元軟件對電機的電磁場進行分析和計算。

借助于COSMOS EMS 軟件,能根據工作條件、幾何尺寸、材料特性等實現參數化設計,自動進行槽型設計和線規(guī)選擇;精確預測分析電機在外部主電路、激勵、負載作用下的動態(tài)性能,分析電機啟動,突加突減負載、斷路、短路等條件下電機的運行特性;進行電場、穩(wěn)態(tài)磁場和交流磁場、動態(tài)電磁場、損耗計算和熱分析,分析渦流、位移電流、集膚效應和領近效應,從而得到電機、母線、變壓器、線圈中渦流的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗(R和L)、力、轉矩、電感、儲能等參數實現自動計算。同時也可以給出整個相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結果。

電機的分析主要涉及到其在靜態(tài)、瞬態(tài)或諧波載壓或載流條件下的磁場分布、漏磁系數、電磁作用力和力矩、啟動和停機特性等。利用CAE的電磁分析和場路耦合分析功能,能對這些部件進行完善的分析仿真和優(yōu)化設計,使其效率和功率更高、體積和重量更小。同時,這些部件的設計還涉及到熱和結構的問題,若發(fā)熱量過高,則直接影響到其性能,如何進行散熱設計,這就需要用到CAE的熱和流體冷卻分析功能。

電機是一種電磁-機械能量轉換裝置。為研究旋轉電機內能量轉換的機制,必須對電機內的磁場分布(尤其是氣隙磁場和槽內磁場分布)有清楚的了解。電機的運行性能取決于電機的參數和損耗。為準確地進行電機地磁路、參數、損耗和電磁力等計算,必須知道氣隙、鐵心、槽內、繞組端部以及某些結構部件附近的電磁場分布。因此研究電機內的電磁場對電機研制至關重要。旋轉電機內的電磁場主要有以下幾類:1. 氣隙磁場;2. 鐵心內的磁場;3. 繞組端部的磁場;4. 槽內漏磁場和凸極電機主極的極間漏磁場;5. 實心轉子中的電磁場。另外交流電機轉子和導體中的渦流和集膚效應也是要重點關注的。

4. 基于COSMOSFloWorks的熱分析與流體分析

電機的正常運轉需要合適的溫度條件,受環(huán)境條件及電機自身發(fā)熱及散熱的影響,電機局部的溫度可能會過高,影響電機的工作效率。因此熱設計也是電機設計中需要考慮的一個方面。通過CAE熱分析,可以準確計算轉子或導體中產生的渦流,感應加熱及焦耳熱都可以得到。通過將電磁分析中焦耳熱讀入到CAE熱分析中,并相應考慮好對流、傳導、輻射等換熱條件,可以定量得到電機在各種工作情況下的溫度分布。并為電機的熱優(yōu)化設計提供參考。

采用COSMOSFloWorks可以實現設計與分析的無縫集成。在同一界面下進行協同設計,共享幾何模型,結構設計工程師可以快速方便地全面分析系統的散熱與電磁兼容性這一對矛盾,并得出符合二者要求的設計方案。

    5. 耦合場分析

COSMOS軟件具有優(yōu)秀的耦合分析功能,可以將電磁、結構、熱設計綜合起來考慮,并在此基礎上進行優(yōu)化。通過電磁分析得到焦耳熱,然后可以將其加到熱分析中得到結構的溫度分布,同時在電磁分析得到的力力矩也可以傳遞給結構靜力或動力分析,確定結構的靜動力特性。另外還可以做電-熱耦合,即穩(wěn)態(tài)電流引起的焦耳熱。結構振動引起的噪聲問題(屬于流固耦合分析),場路耦合分析等等。為產品設計的各種要求提供全面的解決方案。

    二、 構建虛擬設計系統的突破點

企業(yè)的信息化建設是一個伴隨企業(yè)成長的歷史過程,不是一朝一夕能夠建好的,應該按照“整體規(guī)劃、分步實施”的原則分階段建設。三維CAD軟件是設計復用、工程分析(CAE)和數控加工(CAM)的基礎,應該以SolidWorks軟件的普及為突破口,理由如下:

    (1)從產品設計的角度

• 三維CAD可以非常方便的表達工程師的設計意圖,從而提高設計效率;
• 三維CAD的參數化技術可以提高設計成果的重用;
• 同事之間對設計意圖的交流更通暢;
• 虛擬樣機為創(chuàng)新設計提供了有力的工具;
• 虛擬樣機可以消除設計錯誤。

    (2)從產品分析的角度

• 產品建模占有限元分析約60%的工作量,三維CAD能為有限元分析提供所需的產品模型;
• 三維CAD為產品運動仿真提供產品模型。

    (3)從制造的角度

• 用三維CAD軟件建造的產品模型可以直接輸入CAM軟件生成數控機床的加工代碼;
• 三維CAD軟件能以產品模型為基礎自動設計注塑模和壓鑄模;
• 用三維CAD軟件設計的鈑金件能直接展開下料圖。

三維CAD軟件的實施是一個系統工程,長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套將三維CAD軟件應用到產品設計中實施哲理,根據這一哲理,確立了培育戰(zhàn)略合作伙伴為主線的信息化建設策略。針對企業(yè)要解決的問題進行立項,和長沙凱士達公司一起工作,提出解決方案并付諸實施。具體實施策略包括:

    (1)培訓先行

信息化應用成功的關鍵是人,而不是軟件,加強培訓力度是成功的保證。結合實際情況,主要開展的培訓有:

• SolidWorks 初級培訓
• SolidWorks 高級培訓
• SolidWorks 針對企業(yè)產品特點的培訓

    (2)學以致用

長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套將三維CAD軟件應用到產品設計中的新模式——產品參數化設計導航。參照該模式,結合正在開發(fā)的產品,把三維CAD的應用和產品開發(fā)結合起來,可以在短期完成三維CAD軟件的普及應用。

    (3)項目合作

有限元分析的應用有一定難度,應該確定幾個急需解決項目,如電機的結構分析、熱分析與流體分析,與高校或專業(yè)的分析服務公司合作共同完成項目分析。合作中要作到雙方參與,重點在培訓企業(yè)自己的分析隊伍。

通過科學的實施手段,企業(yè)在短期內普及了三維CAD軟件的應用。

三、構建基于三維CAD軟件的產品設計模式

傳統的設計流程是基于二維CAD環(huán)境建立的,設計流程比較粗放,一般分為“功能設計、概念設計、詳細設計” 三個階段,至于每個階段的定義和所涉及的工作內容,專家們從不同的角度給出了不同的定義,沒有統一的約定。由于三維CAD軟件的應用受到計算機硬件的限制,基于三維CAD軟件的設計思路與基于二維CAD軟件的設計思路有很大的不同,如果按照二維的思維模式和設計流程使用三維CAD軟件,不但不能體現出優(yōu)勢,可能反而表現出許多劣勢。要充分發(fā)揮三維CAD軟件的優(yōu)勢,必須探討一種新的設計流程和設計模式。

    1. 產品設計模式

在概念設計階段要利用SolidWorks的布局草圖,首先建立總裝配圖文件,在裝配文件中繪制一個或多個草圖,用草圖顯示每個零部件的位置,用 “塊”定義零件的尺寸和形狀,拖動零件檢查零部件之間的運動關系。概念設計階段形成的布局草圖是進行方案討論和小組協同設計的基礎。使用布局草圖設計裝配體最大的好處是如果您更改了布局草圖,則裝配體及其零件都會自動隨之更新。您僅需改變一處即可快速地完成修改。

總裝配一般采用自下而上的設計方法。限于目前計算機的速度,對大型裝配體進行自上而下的設計還不現實?？傃b配的設計策略是以概念設計階段完成的布局草圖為依據,插入子裝配體。

子裝配要合理地選擇。對于全新的設計建議采用自上而下的設計方法,這樣可以實現關聯性設計。如果需要引用已有零部件或標準件,則應兩種方法結合使用,首先建立布局草圖,以布局草圖為基礎插入模塊化的部件和零件,對新設計的零件,在裝配環(huán)境下確定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設計方法的優(yōu)點是當設計更改時,相關的零件將根據創(chuàng)建方法而自動更新。

對于廠標件和通用件,最好在零件模式下設計,而不要在裝配環(huán)境下采用自上而下的設計,以保持零件的通用性。

    2. 設計與分析的協同工作

COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個插件,與SolidWorks共享統一的數據庫,產品模型數據完全一致,操作界面統一,是一個功能完備的結構分析軟件。使用COSMOSWorks進行結構分析具有下面三個明顯的優(yōu)勢。

對CAD模型進行修改后,分析過程(包括網格劃分、載荷定義、邊界條件等)不需要重新定義,只需運行“分析”命令,程序就會對修改后的產品模型重新進行分析,方便快捷。

對產品進行多方案比較分析時,可在CAD環(huán)境下為每種方案建立一個配置,在分析環(huán)境下只需對一個配置進行分析過程的定義,對其它配置進行分析時,只需執(zhí)行一個“拖、拉”操作,將已經定義的分析過程拷貝到新的配置下即可?？梢苑浅７奖愕貙崿F多方案的比較設計。

在COSMOSWorks中進行產品尺寸優(yōu)化設計時,SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應配置,當用戶選擇優(yōu)化結果的最佳值或某一組尺寸組合時,不需要重新建模,只需在SolidWorks中選擇對應的配置,就得到了需要的產品模型。

做到設計模型與分析模型的統一,將極大地提高有限元分析的效率?？赏ㄟ^下面三種方法實現設計模型與分析模型的統一。

對所有設計人員進行有限元分析知識的培訓,了解有限元分析模型與產品詳細模型的區(qū)別,要求設計人員在產品設計是考慮有限元分析要求,對需要分析的零部件建立一個用于分析配置——結構配置。

從產品設計流程的入手,建立一個結構設計階段,強化設計人員對分析的認識。只有經過認可的模型才進入詳細設計和工程圖繪制,可減少許多無效的勞動。

當需要把CAD模型傳遞給分析軟件時,實體單元建議采用SolidWorks的多實體技術建模,這樣在分析軟件中可以很方便地對不同的特征設定不同的網格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術建模,這樣能更好保證殼單元與產品模型的統一。

    四、應用效果

采用SolidWorks 軟件后,湘潭電機集團有限公司的產品開發(fā)水平躍上了一個新臺階。主要表現在三個方面:

實現了無差錯設計,SolidWorks的零件輕化和配置設計解決了三維應用中最關鍵的大裝配問題,實現了復雜產品的虛擬設計,通過干涉檢查基本上消除了產品設計的低級錯誤,客戶的反饋也越來越好。

提高了設計效率,SolidWorks 的配置設計滿足了系列化設計和定制化設計的需求,配合特征庫、零件庫、部件庫的使用,提高了設計的復用性。通過布局草圖和派生設計實現了小組協同設計,團隊合作更緊密。

提高了設計質量,COSMOSWorks 易學易用,在設計過程中可以方便地進行多方案的比較設計,擺脫了傳統的經驗設計和類比設計,實現了基于分析的優(yōu)化設計。

信息化建設是伴隨企業(yè)成長的歷史過程,“總體規(guī)劃”時必須明確各階段的重點,一步一個腳印,才能健康的發(fā)展。

相關標簽搜索：SolidWorks平臺的電機虛擬設計-SolidWorks培訓 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真