基于SolidWorks平臺的電機虛擬設(shè)計系統(tǒng)的研究

2013-07-21 by:廣州SW培訓(xùn)中心來源:仿真在線

    二維設(shè)計手段導(dǎo)致設(shè)計人員大量的時間(60%)花費在簡單的重復(fù)勞動上(計算各尺寸的變化值),沒有更多的時間來考慮設(shè)計的創(chuàng)新和改進。二維設(shè)計中各零部件之間尺寸不存在關(guān)聯(lián),在頻繁的圖紙修改過程中勢必會出現(xiàn)前后尺寸不符、相互干涉的問題,如下風(fēng)罩尺寸修改,而冷卻器、基座等關(guān)聯(lián)尺寸沒有更改,導(dǎo)致無法裝配的問題。
    為了把企業(yè)的設(shè)計水準(zhǔn)從"經(jīng)驗性設(shè)計"提升到"科學(xué)性設(shè)計",確立了采用虛擬設(shè)計技術(shù)的戰(zhàn)略方向。2001年采購了主流三維CAD軟件SolidWorks,實現(xiàn)了無差錯設(shè)計,并選定 SolidWorks 作為企業(yè)三維CAD應(yīng)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(jié)構(gòu)強度分析,初步構(gòu)建了電機虛擬設(shè)計仿真平臺。
    企業(yè)虛擬設(shè)計平臺的構(gòu)建需要前瞻性的眼光,而普及應(yīng)用的路則更難,需要一套切實可行的實施策略,將虛擬設(shè)計技術(shù)用于企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā),以適應(yīng)經(jīng)濟全球化的趨勢和進入WTO后的面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

    一、電機設(shè)計平臺的結(jié)構(gòu)
    構(gòu)建虛擬設(shè)計平臺的目標(biāo)是在產(chǎn)品設(shè)計方案定型或產(chǎn)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(xiàn)這一目標(biāo),必須高起點地建設(shè)創(chuàng)新設(shè)計平臺。根據(jù)電機產(chǎn)品的設(shè)計特點,湘潭電機集團有限公司構(gòu)建了如下的設(shè)計平臺。

    1、基于SolidWorks的三維設(shè)計平臺
    大型電機產(chǎn)品是典型的定制化生產(chǎn)產(chǎn)品,設(shè)計工作量很大,采用二維設(shè)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(shè)計錯誤,提高設(shè)計效率。
    三維CAD軟件是制造業(yè)信息化建設(shè)的基礎(chǔ),只有采用三維CAD軟件,設(shè)計的產(chǎn)品才能直接導(dǎo)入CAE軟件進行電磁場分析、結(jié)構(gòu)分析、熱與流體分析;才能導(dǎo)入CAM軟件生成供數(shù)控機床使用的數(shù)控代碼,才能為鑄造工藝設(shè)計提供零件的質(zhì)量數(shù)據(jù)。大型電機的機體以焊接件為主,SolidWorks的焊接件設(shè)計模塊能有效地提高焊接件的設(shè)計效率。
    在對電機設(shè)計深入了解后,利用SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計特點和設(shè)計庫功能,可以非常容易地構(gòu)建一套易于使用的傻瓜型電機改型設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計人員只要輸入相關(guān)參數(shù)后即可完成電機關(guān)鍵零部件的自動設(shè)計,大幅度提高設(shè)計效率。

    2、基于COSMOSWorks結(jié)構(gòu)強度及動態(tài)特性分析
    電機設(shè)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(nèi)廠家生產(chǎn)的電機往往 "傻、大、笨、粗",就是因為國內(nèi)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(shù)。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(zhuǎn)動力機械,始終工作在高速旋轉(zhuǎn)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(yīng)力、應(yīng)變。對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,通過改變設(shè)計參數(shù),在滿足應(yīng)力、應(yīng)變及模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上追求質(zhì)量最小。
    COSMOSWorks提供了電機結(jié)構(gòu)強度分析的完整解決方案。電機結(jié)構(gòu)要有足夠的強度,往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸較大,體積大,質(zhì)量大,結(jié)構(gòu)笨重,成本高,通過COSMOSWorks的結(jié)構(gòu)分析可以確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸,做到在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全工作的同時又能減小結(jié)構(gòu)尺寸和重量,從而降低成本。通過結(jié)構(gòu)靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)在受到各種載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況,為結(jié)構(gòu)的剛強度設(shè)計提供依據(jù)。電機里面有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)動力學(xué)的分析。首先確定結(jié)構(gòu)的固有振動特性,包括轉(zhuǎn)子、定子及電機殼體及整體的固有頻率、振型等,避免結(jié)構(gòu)的共振,保證轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的平穩(wěn),無振動。另外還考慮結(jié)構(gòu)受正弦、隨時間任意變化的瞬態(tài)載荷作用下響應(yīng)問題,在一定載荷譜作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。底座、軸、支撐必須精確進行考慮,旋轉(zhuǎn)盤軸的動力學(xué)特性分析,以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。電機或電磁開關(guān)在突然啟動、受到?jīng)_擊或電源干擾等等情況下,往往產(chǎn)生很大的扭矩或其它作用力,嚴(yán)重時會導(dǎo)致某些零部件損毀,這可以用CAE的結(jié)構(gòu)分析來進行計算。
    如果通過試驗手段來確定結(jié)構(gòu)的強度是否合理,需要作大量的試驗才能夠在保證結(jié)構(gòu)合格的情況下減輕構(gòu)件的重量。利用有限元分析軟件,能夠進行構(gòu)件的強度、振動模態(tài)、屈曲、動力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓撲優(yōu)化,一方面檢驗當(dāng)前設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)強度方面的問題,另一方面,可以通過分析得到當(dāng)前結(jié)構(gòu)在哪些地方還留有較大裕量,為進行結(jié)構(gòu)的減重提供依據(jù),降低產(chǎn)品成本

    3、基于COSMOS EMS 的電磁場分析
    傳統(tǒng)的電機學(xué)和電機設(shè)計中,習(xí)慣地把電機的分析和計算歸結(jié)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(shù)是由電機電磁場的場量得來,由于數(shù)值計算和仿真技術(shù)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(jù)工作條件、幾何尺寸、材料特性等實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計,自動進行槽型設(shè)計和線規(guī)選擇;精確預(yù)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(yīng)和領(lǐng)近效應(yīng),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(zhuǎn)矩、電感、儲能等參數(shù)實現(xiàn)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(jié)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(shù)、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(shè)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(shè)計還涉及到熱和結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)換裝置。為研究旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的機制,必須對電機內(nèi)的磁場分布(尤其是氣隙磁場和槽內(nèi)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(shù)和損耗。為準(zhǔn)確地進行電機地磁路、參數(shù)、損耗和電磁力等計算,必須知道氣隙、鐵心、槽內(nèi)、繞組端部以及某些結(jié)構(gòu)部件附近的電磁場分布。因此研究電機內(nèi)的電磁場對電機研制至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)的電磁場主要有以下幾類:1. 氣隙磁場;2. 鐵心內(nèi)的磁場;3. 繞組端部的磁場;4. 槽內(nèi)漏磁場和凸極電機主極的極間漏磁場;5. 實心轉(zhuǎn)子中的電磁場。另外交流電機轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體中的渦流和集膚效應(yīng)也是要重點關(guān)注的。

    4、基于COSMOSFloWorks的熱分析與流體分析
    電機的正常運轉(zhuǎn)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(shè)計也是電機設(shè)計中需要考慮的一個方面。通過CAE熱分析,可以準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子或?qū)w中產(chǎn)生的渦流,感應(yīng)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(yīng)考慮好對流、傳導(dǎo)、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(shè)計提供參考。
    采用COSMOSFloWorks可以實現(xiàn)設(shè)計與分析的無縫集成。在同一界面下進行協(xié)同設(shè)計,共享幾何模型,結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師可以快速方便地全面分析系統(tǒng)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(shè)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(jié)構(gòu)、熱設(shè)計綜合起來考慮,并在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜力或動力分析,確定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品設(shè)計的各種要求提供全面的解決方案。

    二、構(gòu)建虛擬設(shè)計系統(tǒng)的突破點
    企業(yè)的信息化建設(shè)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(yīng)該按照"整體規(guī)劃、分步實施"的原則分階段建設(shè)。三維CAD軟件是設(shè)計復(fù)用、工程分析(CAE)和數(shù)控加工(CAM)的基礎(chǔ),應(yīng)該以SolidWorks軟件的普及為突破口,理由如下:

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

    2)、從產(chǎn)品分析的角度
    ·產(chǎn)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(chǎn)品模型;
    ·三維CAD為產(chǎn)品運動仿真提供產(chǎn)品模型。

    3)、從制造的角度
    ·用三維CAD軟件建造的產(chǎn)品模型可以直接輸入CAM軟件生成數(shù)控機床的加工代碼;
    ·三維CAD軟件能以產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)自動設(shè)計注塑模和壓鑄模;
    ·用三維CAD軟件設(shè)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(tǒng)工程,長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套將三維CAD軟件應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中實施哲理,根據(jù)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(shè)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(xùn)先行
    信息化應(yīng)用成功的關(guān)鍵是人,而不是軟件,加強培訓(xùn)力度是成功的保證。結(jié)合實際情況,主要開展的培訓(xùn)有:
    ·SolidWorks 初級培訓(xùn)
    ·SolidWorks 高級培訓(xùn)
    ·SolidWorks 針對企業(yè)產(chǎn)品特點的培訓(xùn)

    2)、學(xué)以致用
    長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套將三維CAD軟件應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中的新模式--產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計導(dǎo)航。參照該模式,結(jié)合正在開發(fā)的產(chǎn)品,把三維CAD的應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)結(jié)合起來,可以在短期完成三維CAD軟件的普及應(yīng)用。

3)、項目合作
有限元分析的應(yīng)用有一定難度,應(yīng)該確定幾個急需解決項目,如電機的結(jié)構(gòu)分析、熱分析與流體分析,與高?；?qū)I(yè)的分析服務(wù)

    通過科學(xué)的實施手段,企業(yè)在短期內(nèi)普及了三維CAD軟件的應(yīng)用。

    三、構(gòu)建基于三維CAD軟件的產(chǎn)品設(shè)計模式。
    傳統(tǒng)的設(shè)計流程是基于二維CAD環(huán)境建立的,設(shè)計流程比較粗放,一般分為"功能設(shè)計、概念設(shè)計、詳細設(shè)計" 三個階段,至于每個階段的定義和所涉及的工作內(nèi)容,專家們從不同的角度給出了不同的定義,沒有統(tǒng)一的約定。由于三維CAD軟件的應(yīng)用受到計算機硬件的限制,基于三維CAD軟件的設(shè)計思路與基于二維CAD軟件的設(shè)計思路有很大的不同,如果按照二維的思維模式和設(shè)計流程使用三維CAD軟件,不但不能體現(xiàn)出優(yōu)勢,可能反而表現(xiàn)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(shè)計流程和設(shè)計模式。

    1、產(chǎn)品設(shè)計模式
    在概念設(shè)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(guān)系。概念設(shè)計階段形成的布局草圖是進行方案討論和小組協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。使用布局草圖設(shè)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(shè)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(shè)計還不現(xiàn)實?？傃b配的設(shè)計策略是以概念設(shè)計階段完成的布局草圖為依據(jù),插入子裝配體。
    子裝配要合理地選擇。對于全新的設(shè)計建議采用自上而下的設(shè)計方法,這樣可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計。如果需要引用已有零部件或標(biāo)準(zhǔn)件,則應(yīng)兩種方法結(jié)合使用,首先建立布局草圖,以布局草圖為基礎(chǔ)插入模塊化的部件和零件,對新設(shè)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(shè)計方法的優(yōu)點是當(dāng)設(shè)計更改時,相關(guān)的零件將根據(jù)創(chuàng)建方法而自動更新。
    對于廠標(biāo)件和通用件,最好在零件模式下設(shè)計,而不要在裝配環(huán)境下采用自上而下的設(shè)計,以保持零件的通用性。

    2、設(shè)計與分析的協(xié)同工作
    COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個插件,與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)完全一致,操作界面統(tǒng)一,是一個功能完備的結(jié)構(gòu)分析軟件。使用COSMOSWorks進行結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(chǎn)品模型重新進行分析,方便快捷。
    對產(chǎn)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(jīng)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(xiàn)多方案的比較設(shè)計。
    在COSMOSWorks中進行產(chǎn)品尺寸優(yōu)化設(shè)計時,SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應(yīng)配置,當(dāng)用戶選擇優(yōu)化結(jié)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(yīng)的配置,就得到了需要的產(chǎn)品模型。
    做到設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)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(xiàn)設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)一。
    對所有設(shè)計人員進行有限元分析知識的培訓(xùn),了解有限元分析模型與產(chǎn)品詳細模型的區(qū)別,要求設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)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(jié)構(gòu)配置。
    從產(chǎn)品設(shè)計流程的入手,建立一個結(jié)構(gòu)設(shè)計階段,強化設(shè)計人員對分析的認識。只有經(jīng)過認可的模型才進入詳細設(shè)計和工程圖繪制,可減少許多無效的勞動。
    當(dāng)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(shù)建模,這樣在分析軟件中可以很方便地對不同的特征設(shè)定不同的網(wǎng)格尺寸。殼單元最好采用SolidWorks的曲面造型技術(shù)建模,這樣能更好保證殼單元與產(chǎn)品模型的統(tǒng)一。