电机支架有限元强度与变形计算(附件)【字数：10053】
摘 要电机支架主要是起支撑作用的构件，既承受较大的力，又具有定位作用，使零件之间保证正确的位置。对电机支架进行了有限元分析，确定了轴承座和底板的应力、形变分布情况，验证零件设计结构的合理性。借助于Hypermesh13.0软件，在有限元软件分析期间，对零件模型进行合适网格划分和合理的边界条件设置；同时对电机支架的结构进行优化，并将优化前后电机支架的应力和形变做了比较。结果表明，优化后的电机支架既改变了应力集中的位置，通过圆筒与底座之间增加筋板和改变截面的角度的设计，电机支架的最大形变量降低了14%，最大应力降低了5%，达到了零件结构优化设计的目的。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析的概念 1
1.3 有限元国内外发展状况 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的概述 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 基本假设 8
3.3 有限元分析模型建立 8
3.3.1 电机支架的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
随着电能的一步步普及，电机作为最主要的能量转换装置，其已广泛应用于各个领域，人们在日常生活中早已离不开它。电机工作的性能、效率与人类生活的切身利益相关，从而验证其组成零部件结构的合理性，对延伸产品的使用寿命，提高其工作效率是非常有意义的。为验证零件结构的合理性且是否满足要求，本文采用有限元法对支架进行分析。
由于客户对产品的各方面的要求越来越高,一个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
产品设计的周期越来越短，生产成本逐步降低，因此对产品的有限元仿真分析在产品设计过程中发挥着至关重要的作用，同时也可以省去一些不必要的时间。在科学研究和工程设计中，基于建模与仿真的数字化已成为当今科技发展的必然趋势，有限元分析已成为该领域数字化的重要方法之一[1]。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[2]。有限元法在众多的领域已成为一种重要的研究方法。通过该课题的研究，在学校所学的知识得以巩固，了解了相关知识和有限元软件。
1.2 有限元分析的概念
有限元分析，英文说法：finite element analysis，简称FEA，定义为：将一个连续系统（物体）分隔成有限个单元，对每一个单元给出一个近似解，再将所有单元按照一定的方式进行组合，来模拟或者逼近原来的系统或物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成一个离散的有限自由度问题分析求解的一种数值分析方法。把一个大的机构划分为有限个成为单元的大小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。以下是一些相关的理论公式：（1）是位移分量矩阵表达式，（2）是单元分析时位移函数公式：
（11）
（12）
1.3 有限元国内外发展状况
有限元法不仅能应用于结构分析，还能解决归结为场问题的工程问题，从二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优化提供了有了的工具。
在众多数学家和工程师的努力下，有限元在国外的后期发展呈多头并进的态势，并且专业化程度越来越高，发展趋势越来越难以把握，但我们总体上来说，有限元在国外的后期发展能够归为以下四个方面：第一，建立了严格的数字和工程学基础[3]；第二，它的应用范围扩展到了除了在结构力学上的广泛应用，它的应用范围已经扩展到了众多的领域；第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论；第四，有限元软件除了在科学研究和工程计算领域的应用，其它相关的商业应用软件也得到了相应的发展。对于我们而言，一方面应该学习国外的研究思维，有助于自身技术的发展，另一发面挖掘潜在的市场，有了商业价值就会得到更多的关注， 如图11所示为飞机的全机模态分析图。
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图11 卸杆器本体有限元应力应变分析图
为了适应社会发展需求，“九五”计划期间国家相关部门全力推行CAD/CAE技术，有了政府政策的支持，众多大中型机械制造业企业CAD的普及率有了质的提高，现在许多大学已经增加了相关的专业课程。随着CAD应用在相关企业中的普及，机械分析师和生产企业的工程技术人员已逐步由图板制图到软件制图，而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和软件将成为关键的技术要素[4]。据国家相关部门的数据统计，在产品的研发和设计阶段，七成以上的机械制造企业都已采用有限元分析法来实时掌控产品的质量，尤其在机械工程、土木工程、车辆工程、航空航天、材料加工工程等领域中。有限元法作为一种分析工具已在工程设计与结构优化约中占九成左右，而在相关论文中采用有限元法占80%以上，这说明有限元法在这中起到决定性的作用。可以看出，有限分析已成为教学、科研、产品设计中广泛使用的重要工具[5]。改革开放以来，国产的CAE软件研发环境困境重重，众多机械制造企业十分青睐于国外的软件，虽然与国外软件相比还有差距很大，但值得关注的是，国内仍然有一批致力于CAE技术的研究队伍。有限元法在我国的应用十分广泛，例如，我国的研究1973年成功应用于黄河水利委员会的工程项目，并于1975年发表了“三维弹性问题的有限单元法”一文[6]，继而在70年代到80年代上半叶，应用于全国的大型水坝的计算，为国家节约了大量资金[7]。尽管有限元法在我国长足的进步，但仍需不断和国外进行交流，在强大别人的同时丰满自己，如图12所示为山河智能：SWD165一体化液压潜孔钻机的卸杆器本体有限元应力应变分析图。
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图12 卸杆器本体有限元应力应变分析图
1.4 课题研究内容与目标
有限元法在如今的机械设计中起到了很重要的作用，其设计原理十分简单易懂，而且在机械设计中有很快的工作效率[8]。本研究课题的零件是电机支架，电机支架主要是起支撑作用的构件，承受较大的力，也具有定位作用，使零件之间保证正确的位置。电机支架结构的合理性，既能充分发挥电机的过载能力，又能免于损坏，从而提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。因此，对零件进行仿真分析，发现零件结构存在的问题，进而对零件结构进行优化设计，保证电机工作的性能。网格的划分是进行有限元的一个重要环节，网格划分的形式将直接影响计算结果的精度和计算工作量[9]。基于网格划分的原则，运用专业网格划分软件Hypermesh对电机支架进行网格划分。所谓优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法，它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立使最大形变量和最大应力降低的目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案，也只有这才能符合设计要求。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析的概念 1
1.3 有限元国内外发展状况 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的概述 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 基本假设 8
3.3 有限元分析模型建立 8
3.3.1 电机支架的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
随着电能的一步步普及，电机作为最主要的能量转换装置，其已广泛应用于各个领域，人们在日常生活中早已离不开它。电机工作的性能、效率与人类生活的切身利益相关，从而验证其组成零部件结构的合理性，对延伸产品的使用寿命，提高其工作效率是非常有意义的。为验证零件结构的合理性且是否满足要求，本文采用有限元法对支架进行分析。
由于客户对产品的各方面的要求越来越高,一个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
产品设计的周期越来越短，生产成本逐步降低，因此对产品的有限元仿真分析在产品设计过程中发挥着至关重要的作用，同时也可以省去一些不必要的时间。在科学研究和工程设计中，基于建模与仿真的数字化已成为当今科技发展的必然趋势，有限元分析已成为该领域数字化的重要方法之一[1]。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[2]。有限元法在众多的领域已成为一种重要的研究方法。通过该课题的研究，在学校所学的知识得以巩固，了解了相关知识和有限元软件。
1.2 有限元分析的概念
有限元分析，英文说法：finite element analysis，简称FEA，定义为：将一个连续系统（物体）分隔成有限个单元，对每一个单元给出一个近似解，再将所有单元按照一定的方式进行组合，来模拟或者逼近原来的系统或物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成一个离散的有限自由度问题分析求解的一种数值分析方法。把一个大的机构划分为有限个成为单元的大小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。以下是一些相关的理论公式：（1）是位移分量矩阵表达式，（2）是单元分析时位移函数公式：
（11）
（12）
1.3 有限元国内外发展状况
有限元法不仅能应用于结构分析，还能解决归结为场问题的工程问题，从二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优化提供了有了的工具。
在众多数学家和工程师的努力下，有限元在国外的后期发展呈多头并进的态势，并且专业化程度越来越高，发展趋势越来越难以把握，但我们总体上来说，有限元在国外的后期发展能够归为以下四个方面：第一，建立了严格的数字和工程学基础[3]；第二，它的应用范围扩展到了除了在结构力学上的广泛应用，它的应用范围已经扩展到了众多的领域；第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论；第四，有限元软件除了在科学研究和工程计算领域的应用，其它相关的商业应用软件也得到了相应的发展。对于我们而言，一方面应该学习国外的研究思维，有助于自身技术的发展，另一发面挖掘潜在的市场，有了商业价值就会得到更多的关注， 如图11所示为飞机的全机模态分析图。
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图11 卸杆器本体有限元应力应变分析图
为了适应社会发展需求，“九五”计划期间国家相关部门全力推行CAD/CAE技术，有了政府政策的支持，众多大中型机械制造业企业CAD的普及率有了质的提高，现在许多大学已经增加了相关的专业课程。随着CAD应用在相关企业中的普及，机械分析师和生产企业的工程技术人员已逐步由图板制图到软件制图，而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和软件将成为关键的技术要素[4]。据国家相关部门的数据统计，在产品的研发和设计阶段，七成以上的机械制造企业都已采用有限元分析法来实时掌控产品的质量，尤其在机械工程、土木工程、车辆工程、航空航天、材料加工工程等领域中。有限元法作为一种分析工具已在工程设计与结构优化约中占九成左右，而在相关论文中采用有限元法占80%以上，这说明有限元法在这中起到决定性的作用。可以看出，有限分析已成为教学、科研、产品设计中广泛使用的重要工具[5]。改革开放以来，国产的CAE软件研发环境困境重重，众多机械制造企业十分青睐于国外的软件，虽然与国外软件相比还有差距很大，但值得关注的是，国内仍然有一批致力于CAE技术的研究队伍。有限元法在我国的应用十分广泛，例如，我国的研究1973年成功应用于黄河水利委员会的工程项目，并于1975年发表了“三维弹性问题的有限单元法”一文[6]，继而在70年代到80年代上半叶，应用于全国的大型水坝的计算，为国家节约了大量资金[7]。尽管有限元法在我国长足的进步，但仍需不断和国外进行交流，在强大别人的同时丰满自己，如图12所示为山河智能：SWD165一体化液压潜孔钻机的卸杆器本体有限元应力应变分析图。
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图12 卸杆器本体有限元应力应变分析图
1.4 课题研究内容与目标
有限元法在如今的机械设计中起到了很重要的作用，其设计原理十分简单易懂，而且在机械设计中有很快的工作效率[8]。本研究课题的零件是电机支架，电机支架主要是起支撑作用的构件，承受较大的力，也具有定位作用，使零件之间保证正确的位置。电机支架结构的合理性，既能充分发挥电机的过载能力，又能免于损坏，从而提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。因此，对零件进行仿真分析，发现零件结构存在的问题，进而对零件结构进行优化设计，保证电机工作的性能。网格的划分是进行有限元的一个重要环节，网格划分的形式将直接影响计算结果的精度和计算工作量[9]。基于网格划分的原则，运用专业网格划分软件Hypermesh对电机支架进行网格划分。所谓优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法，它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立使最大形变量和最大应力降低的目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案，也只有这才能符合设计要求。
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