三維CAD及CAE技術在高速離心機設計中的應用

三維CAD及CAE技術在高速離心機設計中的應用

陳瑋

    [摘要]采用三維CAD及CAE技術構建轉子和軸的三維模型，通過有限元法算出轉子應力分布情況，分析轉子高速旋轉過程中的強度裕度和破裂轉速；對軸進行模態(tài)分析，確定其直徑和長度。參照分析結果設計出來的零部件，在實際試機過程中取得了較好的一致性。這一技術方法在設計工作中對提升產(chǎn)品性能、提高設計效率等方面具有很強的實用性。

    [關鍵詞]CAD/CAE；有限元法；模態(tài)分析；轉子

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

    1·引言

    實驗室高速離心機是現(xiàn)代科學，特別是生命研究不可缺少的工具。在細胞生物學和分子生物學的每一發(fā)展中，總能見到離心技術的應用。

    隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，國內(nèi)離心機向著高可靠性、高控制精度、低振動和低噪聲的方向發(fā)展。而這一目標的實現(xiàn)依賴于創(chuàng)新能力和先進的設計與制造技術。

    在當今的離心機設計中，一方面，在結構設計上主要采用傳統(tǒng)的手工繪圖或二維計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）系統(tǒng)，但二者很難描繪三維空間機構運動和進行產(chǎn)品裝配干涉檢查等工作，對減少產(chǎn)品設計錯誤、設計更改和返工現(xiàn)象并無重大影響，對企業(yè)最需要的設計時間、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行的，從而導致很多時候零部件做出來了，但對產(chǎn)品進行試裝配時才發(fā)現(xiàn)干涉或設計不合理等現(xiàn)象[1]。因其在設計早期不能全面考慮下游過程的要求，從而使產(chǎn)品設計存在很多缺陷，造成設計修改工作量大、開發(fā)周期長、成本高。另一方面，在強度和剛度分析上采用的仍然是傳統(tǒng)材料力學簡化計算與經(jīng)驗設計相結合的方法。雖然這種設計方法經(jīng)過實踐證明具有一定的可靠性，但存在諸多弊端：（1）采用這種方法設計周期長，按照材料力學原理和簡化經(jīng)驗公式進行手工計算，再根據(jù)計算結果設計結構，會耗費大量時間，且設計準確性不易保證；（2）結構組件冗余，耗材多，傳統(tǒng)設計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)，可方便地設計出三維實體產(chǎn)品模型。與二維實體模型相比，三維實體模型具有以下幾方面的優(yōu)點：（1）進行裝配和干涉檢查；（2）對重要零部件進行有限元分析與優(yōu)化設計（計算機輔助工程）（computer aided engineering，CAE）；（3）啟動三維、二維關聯(lián)功能，由三維直接自動生成二維工程圖紙；（4）進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)的共享與集成等。

    CAE技術是CAD技術的延伸，是企業(yè)優(yōu)化設計的有利工具。CAE技術的應用主要在分析和優(yōu)化2個方面。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)分析的結果，對設計進行修改，從而使結構和形狀都達到最優(yōu)狀態(tài)。

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

    基于以上設計思想，在高速離心機的設計中，首先構建其數(shù)字化模型，然后利用CAD/CAE技術進行整體設計方案的評估（包括通過零部件三維實體設計，快速得到產(chǎn)品幾何模型，以及核心零件轉子的強度分析、電動機軸的臨界轉速確定及橡膠減振系統(tǒng)非線性分析等），從而使所設計的產(chǎn)品結構設計更加合理，更加安全可靠，同時又達到縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)費用的目的[2]。

    2 ·CAD/CAE技術的應用流程

    CAD/CAE技術在高速離心機設計過程中的應用流程，如圖1所示。

                
    3·分析計算

    3.1高速離心機轉子有限

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

              
    實體模型建立后，傳入ANSYS中進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算的精確性。有限元網(wǎng)格的單元數(shù)為81 188，節(jié)點數(shù)為17 114。網(wǎng)格劃分完畢，即進行載荷與邊界條件的添加。

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

            
    3.2強度分析

    大轉子在實際工作轉速條件下的強度情況是轉子以16 000 r/min旋轉條件下的應力和位移分布情況。通過計算，轉子在16 000 r/min狀態(tài)下應力分布情況如圖4所示，其最大應力出現(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)在轉子的邊緣，數(shù)值為0.018mm。

    3.3電動機軸臨界轉速分析

     離心機在旋轉運行時由于其臨界轉速的存在必然會引起振動，而過大的振動往往是機械損壞的主要原因，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計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、檢查結果4個步驟[4-5]。根據(jù)圖紙構建離心機軸當量模型，計算出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。

            
    從計算結果來看，他們均與離心機267Hz的振動頻率相差較遠。

    3.4計算結果分析

    通過上述計算，得出如下結論：（1）在實際工作條件下，該大轉子具有足夠的強度儲備；（2）離心機在最高速度運行時規(guī)避開了臨界轉速，從而可以安全運行；（3）通過增加柔性減振系統(tǒng)，可進一步達到減振、減噪和使用安全性。

    [參考文獻]

    [1]沈鴻.機械工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

    [2]邊萌.ANSYS5.7有限元實例分析教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

    [3]趙景亮.MDT6.0基礎與實例教程[M].北京：北京希望電子出版社，2002.

    [4]洪慶章，劉清吉，郭嘉源.ANSYS教學范例[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

    [5]劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程.[M].北京：中國鐵道出版社，2002.