SOLIDWORKS Motion在动平衡设计仿真中的应用

撰文/ 达索析统(上海)信息技术有限公司 彭军 回转机械设备由于旋转离心力的存在,其动平衡设计是不可回避的重要内容。本文阐述了动平衡设计仿真的基本原理和

方法,使用SOLIDWORKS Motion 对电机转子结构进行了动平衡刚体动力学仿真,并对结构尺寸进行了优化,得到了较好的设计方案。 一、引言

有统计研究表明,回转设备的振动问题有30% 以上是

由转子动不平衡引起的。转子两端通常由轴承支承,如果转

子本身是动不平衡的,转子旋转引起的离心压力将会传递到

机器上,引起机器振动,或者机器工作时出现噪声。

常见的回转设备有车轮、发动机曲轴、电机轴、机床

主轴、风机和汽轮机等。导致结构动不平衡的原因有很多,

如结构几何本身设计不平衡、铸造或机加工导致结构不平衡、

安装导致不平衡等。本文主要讨论如何使用三维设计软件从

产品设计角度进行动平衡设计和仿真优化,从产品初期设计

阶段确保结构本身处于动平衡状态。对于加工工艺或安装导

致的动不平衡,更多依赖实验手段来进行配重或调整,不在

本文的讨论范围内。

二、问题及模型描述

图1 所示为一个典型的发电机转子装配体,其中转子

材料为铝合金,其结构部分本身不属于轴对称部件;点火导

条是延性铁材料,三个导条是锻制红铜材料。显然三种材料

的密度不一样,需要考虑旋转过程中动平衡的影响。

三、动平衡仿真

SOLIDWORKS Motion 是一款功能强大的内嵌于

SOLIDWORKS 中的机构运动仿真软件,SOLIDWORKS

三维装配体中的材料和装配关系可以直接传递到Motion 中。

首先,为了进行动平衡机构动力仿真,在装配体模型中间创

建一个轴,轴两端创建几何体代表轴承支承,如图2 所示。 为了消除Motion 中机构运动的冗余约束,将转子、点

火导条和导条铆钉部件在SOLIDWORKS Motion 中添加到

新刚性组(图3)。同时,在装配过程中,将轴承和中间圆

柱轴端部做基准点与基准轴的配合,并将轴承作为固定部件

(图4)。其它装配关系,如电机转子与旋转轴之间的关系

可以采用基准平面之间的重合配合进行装配。

该电机模型最高转速为8000r/min,在Motion 中添加

等速马达作为驱动载荷,如图5 所示;仿真分析时间设为0.2

秒,为保证该机构运动仿真中有足够的采样精度进行结果曲

线的输出,对运动算例属性中的每秒帧数设为1500(图6),

该数值可以按照转速大小进行对应调整。

四、结果输出项

结构旋转的动不平衡力来自于结构本身的离心力,反

应到结构装配体上就是轴承支撑部分的反作用力,因此我们

提取两端轴承基准点与基准轴重合装配关系的Y 向(或Z 向)

反作用力作为输出项,如图7 所示。

五、设计方案与动平衡仿真结果对比

电机转子初始设计方案中,R45 和57°(图8)为图9

中红圈部分的尺寸,该设计方案经过Motion 动平衡仿真得

到的轴承两端不平衡反力分别为108.7N 和23N,该数值偏大,需要修改设计尺寸。经过多次尝试调整尺寸,在设

计空间允许的条件下最终将这两个尺寸分别调整为R49 和

77°,动平衡仿真得到的不平衡反力分别为3.11N 和5N,

得到了明显改善(图10)。 六、结语

动平衡仿真结合机械结构设计的文献较少,或文献表

述过于[本文来自于www.jyqKw.COm]繁琐晦涩。本文通过使用SOLIDWORKS Motion进行简单机械结构的动平衡运动仿真,阐述了动平衡设计

问题在Motion 中的基本解决思路,同时SOLIDWORKS

Simulation 软件作为设计和验证工具在帮助工程师进行快速

方案选型和优化设计方面得到了完美体现。需要说明的是,

在系统级的动平衡仿真中,可能还需要考虑诸如活塞连杆作

用力、爆发压力、阻尼和摩擦等其他作用力的影响。

浏览次数:  更新时间:2017-01-05 12:41:08
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