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展中，總能見到離心技術的應用。

    隨著現代工業技術的發展，國內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展。而這一目標的實現依賴于創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的手工繪圖或二維計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）系統，但二者很難描繪三維空間機構運動和進行產品裝配干涉檢查等工作，對減少產品設計錯誤、設計更改和返工現象并無重大影響，對企業最需要的設計時間、質量、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，但對產品進行試裝配時才發現干涉或設計不合理等現象[1]。因其在設計早期不能全面考慮下游過程的要求，從而使產品設計存在很多缺陷，造成設計修改工作量大、開發周期長、成本高。另一方面，在強度和剛度分析上采用的仍然是傳統材料力學簡化計算與經驗設計相結合的方法。雖然這種設計方法經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驗公式進行手工計算，再根據計算結果設計結構，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，傳統設計在材料使用上偏于保守，比國外同種規格產品質量大，削弱了產品的競爭力。目前的三維CAD系統，可方便地設計出三維實體產品模型。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化設計（計算機輔助工程）（computer aided engineering，CAE）；（3）啟動三維、二維關聯功能，由三維直接自動生成二維工程圖紙；（4）進行產品數據的共享與集成等。

    CAE技術是CAD技術的延伸，是企業優化設計的有利工具。CAE技術的應用主要在分析和優化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。優化是根據分析的結果，對設計進行修改，從而使結構和形狀都達到最優狀態。

    現代設計技術的不斷發展推動了CAD/CAE技術的內涵和外延向更深、更廣的方向發展：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、一體化的方向發展。所有CAE工作最初始的起點都是產品的幾何實體模型，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非線性分析等），從而使所設計的產品結構設計更加合理，更加安全可靠，同時又達到縮短開發周期和降低開發費用的目的[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。有限元網格的單元數為81 188，節點數為17 114。網格劃分完畢，即進行載荷與邊界條件的添加。

    根據大轉子的實際工作狀態，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孔，約束3個方向的平動以及繞除了內孔軸線以外的其他2個方向的轉動；（2）根據轉子的相應轉速，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狀態下應力分布情況如圖4所示，其最大應力出現的位置如圖5所示，其變形情況如圖6所示。

               
                           
    最大應力出現在與軸配合的孔邊，數值為74.75MPa，最大變形出現在轉子的邊緣，數值為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，所以對其動態特性分析是非常重要的。模態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，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.