【文章內(nèi)容簡介】 蓋 2D 零件圖 曳引機的機座和端蓋的二維零件圖分別如下圖 和 所示： 圖 曳引機機座零件圖 7 圖 曳引機端蓋零件圖 Solid Works 建模工程流程 根據(jù)零件圖，利用 Solid Works 2020 軟件進行產(chǎn)品的三維設(shè)計，必須先了解該軟件的設(shè)計工作流程，就是說在設(shè)計零部件的過程中需對零部件形成的形成過程有一個比較流暢的設(shè)計思路，明確先大局，后小節(jié)；先整體，后細節(jié)的產(chǎn)品形成流程。 使用 Solid Works 2020 進行三維設(shè)計，同時，按照軟件設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計流程進行一步一步的建立。在對 Solid Works 2020 中的零部件進行建模中，在總體上可以將其分為以下流程進行建立，如圖 23 所示： 8 圖 Solid Works 建模工程流程圖 曳引機整體受力和 3D 模型 該曳引機主要受重力作用，輪轂上受到電梯橋廂對它的拉力和轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的力矩，轉(zhuǎn)子上電磁作用產(chǎn)生的力矩和定子上產(chǎn)生的反作用力矩。 曳引機整體安裝在工字鋼梁上，包括曳引機轉(zhuǎn)子環(huán)、轉(zhuǎn)子、曳引輪、后端蓋、前軸承外蓋、轉(zhuǎn)軸、前軸承、后軸承、花鍵、螺釘、機座、工字鋼梁等主要部件，部件中的修飾或裝配圓角、導(dǎo)角等非結(jié)構(gòu)性設(shè)計被簡化。 曳引機整體安裝網(wǎng)格化 曳引機有限元網(wǎng)格模型采用二階實體四面體單元劃分網(wǎng)格方式，并生成其爆炸視圖。裝配中為了簡化模型，端蓋和機座采用“結(jié)合”的連接方式 ，既不影響結(jié)論的得出，又節(jié)省計算時間，其他部分的接觸采用的面面結(jié)合的接觸方式，從而保證總裝圖的各個部件之間能夠進行有效的約束。邊界條件施加情況如下，工字鋼梁兩端面的 6 個自由度均被約束住，施加在曳引輪、定子轉(zhuǎn)子環(huán)上的扭矩以及加在曳引輪上的壓力通過耦合到中間軸的方式進行加載。 零件 1 零件 2 零件 3 零件 n 參考幾何體 特征 材質(zhì) 表面素材 燈光和照相機 參考點 參考軸 參考平面 總裝圖 9 第三章 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 線性靜力學(xué)分析基礎(chǔ)知識 靜力學(xué)分析概述 結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析是零件結(jié)構(gòu)分析最基礎(chǔ)的部分，用于計算系統(tǒng)在固定不變的載荷下的響應(yīng)，或者在對于該系統(tǒng)可以等同于固定不變的載荷下的響應(yīng)。另外，當(dāng)隨時 間變化的載荷可以用近似等價的靜力載荷來代換，或者載荷和系統(tǒng)的響應(yīng)隨時間變化足夠緩慢時，也可以作為靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析可以計算結(jié)構(gòu)或者零部件中由于靜態(tài)或者穩(wěn)態(tài)載荷而引起的位移，應(yīng)變，應(yīng)力和各種力。這些載荷可以是外部作用力和壓力，穩(wěn)態(tài)慣性力（重力和離心力），強制（非零）位移，溫度（熱應(yīng)變）。 線性靜載中認為材料在線彈性范圍內(nèi)變形，結(jié)構(gòu)在線性范圍內(nèi)變化，排除任何的非線性行為，是結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中最基本、最常用的。 Solid Works 2020 有兩類解算器： FFE Plus 和 Direct sparse。通常，如 果所需的解算器選項支持，則所有解算器會給出可比較的結(jié)果。處理小問題時（ 25000個自由度或更少），所有的解算器都很有效；而當(dāng)求解大問題時，它們的性能（速度和內(nèi)存使用）會出現(xiàn)很大差異。 以下一些因素可幫助選擇合適的解算器： 1） 問題的大小。一般而言 FFE Plus 解算器在計算機可用內(nèi)存足夠多時速度較快。 2） 計算機資源。 Direct sparse 解算器在計算機可用內(nèi)存足夠多時速度較快。 3） 分析選項。 4） 單元類型。 5） 材料屬性。當(dāng)模型中使用的材料彈性模量差異很大時（比如鋼和尼龍），迭代求解比直接求解精度低，在這種情況下，推薦 使用 Direct sparse 解算器。 在算例的屬性欄中可以選擇解算器的類型，如圖 所示。因為選擇合適的解算器需要一定的經(jīng)驗，這時可以選擇自動，在不確定哪個解算器是分析的最佳選項時，使用該選項 [6]。 10 圖 Solid Works 2020 解算器類型 靜力學(xué)分析的一般流程 做結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的軟件很多，對 FEA，列出以下步驟： 1）建立數(shù)學(xué)模型，2）建立有限元模型， 3)求解有限元模型， 4）結(jié)果分析。使用 Solid Works 操作流程一般歸納為如圖 所示： 圖 靜力學(xué)分析流程圖 通常情況下，幾何模型對網(wǎng)格的要求有著極其重要的意義，需要修改 CAD幾何模型，以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改可以通過采取特征消隱、理想化或清除的方法。 建立 3D 模型 開始靜力學(xué)分析 賦予材料屬性 添加約束關(guān)系 施加外界載荷 劃分單元網(wǎng)格 運行 計算算例 查看結(jié)果文件得出結(jié)論 11 機座及端蓋的有限元仿真 材料類型 Solid Works 2020 軟件本身提供了 Solid Works DIN material 和 Solid Works material 兩種常用材料的材質(zhì)庫，用戶可以選擇“自定義材料”選項或安裝企業(yè)需要的材料庫，對所需材料的 屬性進行編輯或定義。 本次設(shè)計分析，采用 QT40018 和 HT300 兩種材料，其主要屬性參數(shù)見表 表 材料屬性參數(shù)表 單元類型 為模擬機座和端蓋的結(jié)構(gòu)，均應(yīng)用 Solid Works 2020 建模工具，采用三維實體、自下而上分別建模，由于一階單元組成的網(wǎng)格，其模擬出真實復(fù)雜的位移和應(yīng)力場是有嚴(yán)重局限性的，并且直線和平面不能正確的模擬曲面型幾何形狀，故選用二階實體四面體單元網(wǎng)格。 本次設(shè)計結(jié)合拉伸和旋轉(zhuǎn)的方法 ,應(yīng)用布爾運算 ,采用實體建模 .曳引機的主要部件均有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu) ,如不進行簡化處理 ,分析過程中不僅工作量大 ,占用較多計算資源 ,重要的是在劃分單元過程中一些細微的結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生較多奇異單元 ,即畸形單元網(wǎng)格，使計算不能繼續(xù)。因此 ,對 三維模型進行必要簡化既提高了工作效率 ,又可使計算順利進行。簡化的原則是以不影響或少影響構(gòu)件受力狀況為前提 ,略去小的溝槽、倒角、圓角和小孔等細微結(jié)構(gòu) ,得到與實際受力基本相符的簡化的幾何模型，如圖 所示： 模擬材料類型 質(zhì)量密度 kg/mm^3 彈性常數(shù) E/N/m^2 泊松比 μ 強度極限σ/ aMp 屈服極限σ/ aMp QT40018 +011 400 250 HT300 +011 300 220 12 圖 機座和端蓋簡化模型 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分是 CAE 軟件進行模擬計算的關(guān)鍵步驟之一，網(wǎng)格劃分過程即離散化過程，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量精度高低直接關(guān)系到分析結(jié)果的優(yōu)劣，而網(wǎng)格自動劃分的關(guān)鍵是合理給出自動劃分信息，可以根據(jù)要求選用不同的網(wǎng)格劃分方法，也可以根據(jù)要求靈活地控制生產(chǎn)的單元數(shù)量以 及網(wǎng)格的密度，從而提高求解精度。根據(jù)曳引機機座和端蓋的受力情況和幾何形狀，對于機座和端蓋兩部分有限元模型均采用了二階實體四面體單元網(wǎng)格，采用“基于曲率的網(wǎng)格”的劃分方式，應(yīng)用網(wǎng)格控制，對必要的部分進行網(wǎng)格加密，從而提高計算精度，同樣計算所需的時間也相對較長。其有限網(wǎng)格模型及相關(guān)信息分別如圖 和 所示： 13 圖 機座及端蓋的有限元網(wǎng)格模型圖 圖 機座的有限元網(wǎng)格控制加密模型圖 為模擬機座和端蓋之間實際的裝配和相互約束關(guān)系，對于曳引機機座和端蓋兩部件的有限元模型，為了簡化模型，在裝配接觸 面上設(shè)定“結(jié)合”連接，裝配后的有限元模型如圖 所示： 14 圖 機座和端蓋的裝配模型 載荷及邊界條件 整體受力 根據(jù)曳引輪受力狀況及曳引機整體結(jié)構(gòu)，推出在曳引機正常運行中（此時忽略制動器對結(jié)構(gòu)的約束作用）整機受力狀況，按理想約束與加載，確立了簡化的力學(xué)模型，如圖 和 所示： 圖 曳引輪受力示意圖 15 圖 曳引機整機受力簡化模型 其中 ? ?? ? ? ?? ? 2212222x s i nc o s ???? ??????? TTTpPP y )c o s ( )s in (a r c t a na r c t a n 2 21 ?? ??? ? ???? T TTpP XY 2)( 121 DTTMe ?? Pl llRF 2 21 ??, PllRC 21? 根據(jù)實際載荷（轎廂按 125%額定載荷加載）及曳引機結(jié)構(gòu)知：當(dāng)轎廂平穩(wěn) 運行時， kgfT 13001 ? , kgfT 9002 ? , mmD 4041 ? , ??150? , mml 271 ? , mml 1402 ? 從而有： kNP ? , ??24? , mkNMe ?? , kNRF ? , kNRC ? 當(dāng)電梯啟動和停車過程中，轎廂有向下的加速度 2/ sma ? ，考慮其產(chǎn)生的附加慣性力，則： kNT ? , kNT ? . 從而有 : , KNP? ?? ? , mkNMe ?? , kNRF ? , kNRC ? 其余參數(shù)同上。 16 機座和端蓋的約束及受力 機座和端蓋的約束主要是機座下底面及底腳螺栓孔處受到的螺栓的約束和機座與端蓋裝配時的面面結(jié)合約束，載荷則主要來自于機座軸承和端蓋軸承處對應(yīng)于輪轂和軸所受約束的徑向反力，分別為 FR 和 CR ；及機座上定 子鐵心裝配處用于約束定子鐵心的切向力矩為 Me。 有限元模型的加載和約束 根據(jù)上述受力狀況，對于裝配后的曳引機支承部件（機座和端蓋）有限元模 型，在機座底腳螺栓孔處施加固定約束，在機座和端蓋連接處施加面面粘合或面面接觸約束。 有三組載荷施加于該裝配模型上： （ 1）機座軸承裝配處相應(yīng)部位的軸承載荷分布力，對于電梯平穩(wěn)運行和加速 運行，均值分別為 aMP 和 aMP 。 （ 2）端蓋軸承裝配處相應(yīng)部位的軸承載荷分布力，對于電梯平穩(wěn)運行和加速 運行，均值分別為 aMP 和 aMP 。 （ 3）機座定子鐵心裝配處沿圓周表面的切向面均布力，其值為 ??aMP 和 ??aMP 。 有限元模型的加載和約束情況如圖 所示 : 17 圖 有 限元模型的約束和加載 應(yīng)力應(yīng)變及安全性能分析 機座及端蓋采用 QT400 材料 對裝配的支撐部件的有限元模型，按相應(yīng)的材料常數(shù)及曳引機平穩(wěn)運行和加 速運行兩種工況下的加載狀況，進行應(yīng)力應(yīng)變分析，得到其受力后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)狀況。 本分析從計算結(jié)果中提取位移量和 von Mises 應(yīng)力進行分析，從而評估其強度和剛度。 1 機座及端蓋裝配體分析 1）平穩(wěn)工況下的位移分析 以下為曳引機受 125%額定載荷平穩(wěn)運行中機座和端蓋裝配模型的位移分布云圖。由圖 中可知， 位移 最大位置在機 座頂部前端，其值為 mm。 2）平穩(wěn)工況下的應(yīng)變分析 由圖 可知其受力后的變形狀況， 應(yīng)變 最大處在機座后地腳螺栓連接處。 18 圖 機座及端蓋位移量分布云圖（曳引機 125%載荷平穩(wěn)運行，材料 QT400） 圖 機座及端蓋應(yīng)變情況（曳引機 125%額定載荷平穩(wěn)運行，材料 QT400） 19 3）加速工況下的位移及應(yīng)變分析 曳引機受 125%額定載荷以 2/ sma ? 加速運行中機座和端蓋裝配模型的位移、應(yīng)變分布云圖狀況如圖 和 所示。由圖中 可知，位移最大的位置在機座頂前端，其值為 ，與平穩(wěn)運行時的 mm，相差%。 圖 （曳引機 125%額定載荷加速運行，材料 QT400） 20 圖 機座及端蓋應(yīng)變情況（曳引機 125%額定載荷加速運行，材料 QT400） 圖 125%額定載荷平穩(wěn)和加速運行兩工況下端蓋的最大位移分布狀況，其中最大值分別為 和 。由圖 可知，最大值發(fā)生在機座頂前端 。