一、案例背景

一、案例背景

转轮高速旋转会产生离心力,不仅影响转轮自身的结构强度,还关系到整机稳定性。因此设计时会用计算机软件对转轮进行静力学分析,确保其强度达标,同时还要进行模态分析,算出固有频率,避免发生共振。

本案例需要的输入文件和参数信息如下表:

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图1 几何模型
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图1 几何模型

二、导入几何

二、导入几何

a. 启动AIFEM 2024R1

b. 在窗口左侧点击+新建方案, 自定义文件的保存路径,并填写文件名“转轮”,点击保存

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图2 新建方案
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图2 新建方案

c.点击工具条上的几何>导入,弹出“导入几何”弹窗,选择安装目录案例集文件夹下对应的几何文件Rotor.step,导入到新模型,模型名称Rotor,点击导入

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图3 几何导入
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图3 几何导入

三、划分网络

三、划分网络

a. 顺着左侧功能树从上到下操作,就能完成整个设置。功能树前有提示图标,红色代表必须要设置,绿色空心代表可选择设置,不设置也能求解,绿色对钩代表已设置完成,且设置正确;

图4 功能树图标设置
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图4 功能树图标设置

b.点击网格处的加号,选四面体网格,对象选择整个模型。单元阶次设为二阶,提高求解精度。全局网格尺寸设为2mm,其余保持默认,点击生成。

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图5 网格划分
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图5 网格划分

四、材料选择

四、材料选择

a. 选择材料。转轮材料是钢,点击材料库图标,选择钢,确定。

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图6 材料选择
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图6 材料选择

五、赋予属性

五、赋予属性

a.点击加号,固体属性,对象选择整个模型,下面材料已经默认选择了我们刚从材料库中指定的钢,确定。

图7 固体属性
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图7 固体属性

六、分析设定

六、分析设定

a. 点击加号新增,分析类型选结构分析;

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图8 新增分析
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图8 新增分析

b.我们这个案例要做两个分析,一个是静力分析,一个是模态分析,所以子分析步就有2个;首先设置静力,子分析步选静力,点继续;

图9 新增分析
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图9 新增分析

c. 设置子分析步,第一个线性摄动是为了研究模型在小扰动下的响应,这种分析不会改变包含模态在内的模型状态。第二个子分析模态分析,是要算出转轮在离心力作用下的模态,不能忽视预应力对转轮刚度和模态的影响,所以静力分析时就不能做线性简化了,这里选“几何非线性”,它是符合实际情况的未做简化的选项。确定;

图10 设置子分析步
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图10 设置子分析步

d.增加第二个子分析,模态分析。点击子分析步后点加号,模态;

图11 模态分析
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图11 模态分析

e.理论上一个物体的模态有无数个,但工程中一般只求解关注的频率范围内的模态,模态求解可通过三个参数设置,给定阶数、最大频率、最小频率;最小频率选填,如不填写默认从0HZ开始求解,最大频率和给定阶数必须填一个,若同时填写,满足其中任意一个时求解器就停止。这个案例我们求解前12阶。

图12 模态分析
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图12 模态分析

七、边界条件设置

七、边界条件设置

a. 根据转轮的工作情况固定相应的面。转轮中间的孔和轴连在一起,是固定的,所以需要将孔的面设为固定面;

图13 边界条件设置
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图13 边界条件设置

b.点击边界条件后的加号,位移/旋转,对象选择孔的所有面,注意别遗漏,点击位移的X/Y/Z方向,保持默认的0,确定。

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图14 边界条件设置
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图14 边界条件设置

八、载荷设置

八、载荷设置

a.零件载荷主要是高速旋转产生的离心力。点击加号,点击旋转惯性力,对象选择整个零件;

图15 载荷设置
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图15 载荷设置

b. 然后定方向,旋转方向在软件中是用右手定则规定的,大拇指指向旋转轴正方向,四指弯曲方向即为旋转方向。这个转轮的旋转方向在当前视角下是顺时针的,使用右手定则,旋转轴方向应为z轴正方向,它工作时的转速为每秒钟166转,确定。

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图16 载荷设置
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图16 载荷设置

九、运行求解

九、运行求解

a. 双击求解,保持默认设置,求解。

图17 运行求解
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图17 运行求解

十、查看结果

十、查看结果

a. 默认显示的是位移云图,下方横条前后两部分代表了2个子分析步,点左箭头跳到第1个子分析步看一下静力,图例显示最大变形量是0.03779mm;

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图18 查看位移云图
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图18 查看位移云图

b. 云图中可以看出最大变形位置在叶片的两端;

图19 查看位移云图
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图19 查看位移云图

c. 最大应力是191.6MPa,小于高强度钢的屈服应力550Mpa,满足强度要求;

图20 查看应力云图
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图20 查看应力云图

d. 查看模态结果。点击上方菜单栏结果处的“模态结果”,可以看到计算得出的零件前12阶模态,包含我们关心的固有频率等信息;

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图21 查看应力云图
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图21 查看应力云图

e. 点击其中任一阶,云图会显示该阶模态对应的振型。有了这些频率值,就可以评估转轮的工作环境中是否有相同或相近频率的外界激励,如果有就可能发生共振。也就需要调整零件结构或者工作环境,避开共振。

图22 查看模态结果
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图22 查看模态结果