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有限元技术在轧钢电机换向器开发中的应用 | |
永济电机厂 孙涛 高小平 | |
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摘 要:利用ANSYS有限元分析软件的非线性接触分析技术,对某型号直流轧钢电机换向器机械结构进行了多种方案分析计算,详细计算出了各个零件在动态旋转时的应力和变形,为最终确定合理的设计方案提供依据。
关键词:有限元 换向器 接触 非线性分析
1 前言
轧钢电机是永济电机厂新开发的一种全新结构新型直流电机,周期短、难度大。该电机工作条件恶劣,要求电机有较高的可靠性。特别是直流电机特有的换向问题,是影响电机可靠运行的主要因素之一,因此,实现换向的主要部件――换向器的质量就非常重要。
换向器在运行中要保证各零件应有足够的强度、刚度和良好的整体性能。由于结构比较复杂,传统设计机械计算都作了简化处理,安全系数一般取的较大,设计的结构偏于保守。本文采用有限元技术,对不同设计方案结构的应力及变形分布进行了模拟,为设计者确定合理的设计方案提供了理论依据。
2 分析方案与分析过程
由于换向器属多零件装配体,在运行中各个零件配合面又相互作用,边界条件复杂,传统线性静力分析已不能解决该问题,需用非线性接触技术进行分析。分析软件采用ANSYS5.7。
2.1 建立分析模型
换向片组由276片换向片和276片云母板间隔排列组成,在其两端装上云母环、套筒、压圈,再用螺栓紧固组装而成换向器。零件数量多,几何关系复杂,对于接触分析来说,零件数量越多,分析求解越困难。因此,必须对结构进行适当的简化处理。该结构在建模时特做如下假设:
(1) 对套筒、压圈结构来说重点考察V形槽部位的强度和刚度,因此可忽略螺栓孔以及通风孔的影响。
(2) 云母材料特性一般不很稳定,尤其是弹性模量,随着制造时所用的工艺参数而变化,在分析时假设材料呈线性特性。
(3) 螺栓的作用是提供轴向预紧力,该力可采用ANSYS预紧单元技术来处理,因此建模时可忽略螺栓结构。
根据上述假设,换向器可认为是以每个换向片和云母板为一组,沿换向器轴线的循环对称结构,同时由于载荷也对称,所以可创建对称的分析模型。分析时取一片云母板和与其相邻的换向片的二分之一的扇形结构建立模型。(如图1所示)图1 换向器离散模型2.1.1 单元选择及模型离散
对于换向器各零件,单元类型选8节点的六面体单元SOLID185,接触单元选面-面接触单元TARGE170和CONTA174,对于螺栓预紧力的模拟,ANSYS提供有螺栓预紧单元PRETS179可很好地模拟结构受螺栓预紧力时的状态,利用该技术建模时可忽略螺栓结构,直接在受预紧力的结构上创建预紧单元,并在主节点上施加预紧力即可完成对预紧螺栓的模拟。
在单元的划分方面,为了兼顾计算精度和计算速度,同时又要保证求解容易收敛,在换向片和压圈、套筒的受压面上,单元划分较细,其余部位单元划分适当即可。
离散后的模型共有4813单元, 5794节点,4个接触对,1个螺栓预紧单元。
2.1.2 材料属性
ANSYS软件提供丰富的材料模式可供选择,包括线性材料或非线性材料,各向同性、正交异性或非弹性,随温度变化或不随温度变化。换向器各个零件的材料属性见表1。 表1 材料属性 (图片)表2 方案改进前后计算结果对比 (图片) | |
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