基于ANSYS Workbench的机座设计优化

仇超武，谭亮，梁双全，张冬妮（1.中车株洲电机有限公司，湖南株洲，412001；2.江苏中车电机有限公司，江苏大丰，224115）



基于ANSYS Workbench的机座设计优化

仇超武，谭亮，梁双全，张冬妮
（1.中车株洲电机有限公司，湖南株洲，412001；2.江苏中车电机有限公司，江苏大丰，224115）

摘 要：本文通过建立发电机原机座的模型，利用ANSYS Workbench 14.0分析了其吊装运输时的静强度；优化改进机座吊装运输模型，研究分析了改进后吊装运输时的静强度。通过对比结果和仿真验证得出：机座模型优化改进后，满足设计要求，到优化设计的目的。

关键词：ANSYS Workbench；机座；静强度分析

引言

发电机机座是发电机整机上极重要的结构部件之一，起着支撑保护、吊装运输和提供通风冷却功能等多种作用，机座一定具备相当的强度。其强度主要考核发电机在吊装运输和正常运行等工况下机座的静强度是否满足设计要求。

随着有限元技术的不断发展和完善，利用有限元法对结构部件进行分析已经成为提高产品设计质量、降低制造成本的有效手段［1］。目前ANSYS公司的最新版ANSYS Workbench 14.0软件，具有强大的结构、热、流体、电磁及其相互耦合的分析功能，其全新的项目视图功能，可将整个仿真流程有机组合在一起，通过拖曳操作即可完成复杂的、多物理场的分析流程［2］。本文使用ANSYS Workbench 14.0系统，先期仿真计算了发电机的原机座在吊装运输时的静强度；根据吊装运输要求优化改进机座吊装吊耳位置后，分析改进后吊装运输时的静强度，并对比了吊装吊耳位置优化改进前后机座静强度的结果。

1 原机座静强度分析

用三维软件N X建立某型风力发电机的原机座模型［3］，如图1所示。机座材料为碳素结构钢Q235，弹性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度为7830kg/m3。

图1 原机座三维模型

在ANSYS 中，为机座模型建立静态结构分析项，导入机座模型，并自动划分网格［4，5］。边界条件设置为正常吊装（四吊耳吊装）和非正常吊装（对角两吊耳吊装）两种，每种边界条件下分别设置机座自重和发电机整机重力两种载荷。需说明两点：一是机座或发电机的非正常吊装在生产实际中属违规操作，此机座仿真设计中引入是为研究非正常吊装对机座或发电机所受的应力和变形的影响；二是为简化建模工作量，发电机整机重力载荷通过在机座结构的相应配合面上加载质量点的方法来等效发电机定子、转子、冷却器和端盖等部件的重量。为每种工况均建立应力和变形求解项，分析结果见表1。本文仅给出发电机整机重力在正常吊装时的应力和变形云图，见图2和图3。

表1 原模型在不同边界条件和载荷下的静强度分析结果

图2 发电机整机重力下正常吊装应力云图

图3 发电机整机重力下正常吊装变形云图

机座的设计要求为最大应力不超过材料Q235的屈服极限235MPa并留有足够设计裕量，最大变形不超过0.5mm。从表1可知，正常吊装工况1和2下，机座所受的应力和变形均满足设计要求。但在相同载荷下，非正常吊装工况机座所受应力和变形均比正常吊装工况时所受应力和变形要大得多，且工况4发电机整机非正常吊装运输时，机座最大变形量达到1.053mm，大大超过0.5mm，故在生产实际中应严格禁止此类非正常吊装形式，以减少发电机的应力和变形。

2 优化改进机座吊耳位置后的静强度分析

因发电机冷却器结构更改，在原机座正常吊装时，出现吊耳吊具与冷却器干涉导致冷却器端部变形问题，故需优化改进机座吊装吊耳位置，避免上述现象发生。

图4 机座吊装吊耳位置改进后的新三维模型

优化设计考虑将机座吊装吊耳按图4所示改进，以解决干涉问题。

机座设计过程的每一次改进均需重新仿真分析，并验证其静强度是否符合设计要求。

将改进后的机座新模型导入ANSYS ，按前述的各边界条件和加载载荷重新设置，经仿真分析后的结果见表2。同理本文仅给出模型改进后发电机整机重力在正常吊装时的应力和变形云图，见图5和图6。

对比表1和表2，发电机机座新模型和原模型在分别正常吊装工况1和2下，所受的应力和变形相当，均满足设计要求。同样在相同载荷下，非正常吊装工况时，机座所受应力和变形均比正常吊装所受应力和变形也要大得多。即发电机机座优化改进前后静强度受力分析的规律相同，说明此发电机机座优化改进机座吊装吊耳位置是可行的。

表2 新模型在不同边界条件和载荷下的静强度分析结果

图5 新模型下发电机整机正常吊装应力云图

图6 新模型下发电机正常吊装变形云图

3 结论

本文通过建立原机座法人模型，利用ANSYS有限元软件模拟分析其吊装运输时的静强度，再根据生产吊装运输要求优化改进机座吊装吊耳位置模型，并分析改进后吊装运输时的静强度。通过对比优化改进前后的分析结果，得到机座模型优化改进后仍满足设计要求的结论，达到了优化设计的目的。

参考文献

［1］ 刘建忠.利用有限元法对电机机座的分析和优化［J］.防爆电机，2010，45（3）：20-22.

［2］ 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［3］ 刘昌丽，周进.UG NX 8.0完全自学手册［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［4］ 李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench 设计、仿真与优化［M］.北京：清华大学出版社，2008：28-46.

［5］ 陈艳霞，陈磊.ANSYS Workbench工程应用案例精通［M］.北京：电子工业出版社，2012.

Optimization design for Machine Seat based on ANSYS Workbench

Chaowu Chou， Liang Tan， Shuangquan Liang， Dongni Zhang
（1.CRRC Zhuzhou Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan， 412001， China；2.Jiang Su CRRC Electric Co.， Ltd.， Dafeng， Jiangsu， 224100， China）

Abstract：Calculated and analyzed the Static Strength for a machine seat which its original model was established when hoisting and transportation with ANSYS Workbench 14.0.Meanwhile， improved the hoisting-transportation model， and analyzed its Static Strength.Proving that the improved machine seat still met the design requirements.Through contrastive analysis and calculation results， finite element method was used so that the design achieved the goal of optimization.

Key words：ANSYS Workbench； Machine Seat； Static Strength Analysis

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-168-03

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.015

作者简介：

仇超武（1983-），男，工程师，现从事发电机设计研发。

E-mail： Abner_wo@163.com