基于SolidWorks平臺的電機虛擬設(shè)計系統(tǒng)的研究

1、基于SolidWorks平臺的電機虛擬設(shè)計系統(tǒng)的研究發(fā)布日期：2007-8-30 20:44:10 作者：ug 出處：CAD世界網(wǎng)    湘潭電機集團有限公司一直享有“電工產(chǎn)品搖籃”的美譽。主要為能源、交通、礦山、國防等服務(wù)，先后研制開發(fā)新產(chǎn)品1000多項，100多種重大新產(chǎn)品填補了國內(nèi)空白，開創(chuàng)了中國機電產(chǎn)品眾多第一。主要生產(chǎn)大中型直流電機。     在“甩圖板”精神的指導下，上世紀90年代初選擇了開目CAD/CAPP系統(tǒng)和AutoCAD軟件作為信息化建設(shè)的基礎(chǔ)平臺，并進行了大量的定制開發(fā)工作，形成了一套系統(tǒng)的、基于二維C

2、AD平臺的設(shè)計、制造系統(tǒng)。     二維設(shè)計手段導致設(shè)計人員大量的時間（60）花費在簡單的重復勞動上（計算各尺寸的變化值），沒有更多的時間來考慮設(shè)計的創(chuàng)新和改進。二維設(shè)計中各零部件之間尺寸不存在關(guān)聯(lián)，在頻繁的圖紙修改過程中勢必會出現(xiàn)前后尺寸不符、相互干涉的問題，如下風罩尺寸修改，而冷卻器、基座等關(guān)聯(lián)尺寸沒有更改，導致無法裝配的問題。     為了把企業(yè)的設(shè)計水準從“經(jīng)驗性設(shè)計”提升到“科學性設(shè)計”，確立了采用虛擬設(shè)計技術(shù)的戰(zhàn)略方向。2001年采購了主流三維CAD軟件SolidWorks，實現(xiàn)了無差錯設(shè)計，并選定 SolidWorks

3、作為企業(yè)三維CAD應用的首選軟件，2003年采購了COSMOS系列軟件，進行電磁分析、流場分析和結(jié)構(gòu)強度分析，初步構(gòu)建了電機虛擬設(shè)計仿真平臺。     企業(yè)虛擬設(shè)計平臺的構(gòu)建需要前瞻性的眼光，而普及應用的路則更難，需要一套切實可行的實施策略，將虛擬設(shè)計技術(shù)用于企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)，以適應經(jīng)濟全球化的趨勢和進入WTO后的面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。 一、 電機設(shè)計平臺的結(jié)構(gòu)     構(gòu)建虛擬設(shè)計平臺的目標是在產(chǎn)品設(shè)計方案定型或產(chǎn)品加工前，通過計算機仿真模擬將問題盡量在計算機上解決，要實現(xiàn)這一目標，必須高起點地建設(shè)創(chuàng)新設(shè)計平臺。根據(jù)電機產(chǎn)品的設(shè)計特點，湘潭

4、電機集團有限公司構(gòu)建了如下的設(shè)計平臺。 1. 基于SolidWorks的三維設(shè)計平臺     大型電機產(chǎn)品是典型的定制化生產(chǎn)產(chǎn)品，設(shè)計工作量很大，采用二維設(shè)計軟件差錯比較多，尤其是在老圖紙修改過程中，錯誤比較多，采用三維CAD可以大幅度地減少設(shè)計錯誤，提高設(shè)計效率。     三維CAD軟件是制造業(yè)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，只有采用三維CAD軟件，設(shè)計的產(chǎn)品才能直接導入CAE軟件進行電磁場分析、結(jié)構(gòu)分析、熱與流體分析；才能導入CAM軟件生成供數(shù)控機床使用的數(shù)控代碼，才能為鑄造工藝設(shè)計提供零件的質(zhì)量數(shù)據(jù)。大型電機的機體以焊接件為主，SolidWo

5、rks的焊接件設(shè)計模塊能有效地提高焊接件的設(shè)計效率。 在對電機設(shè)計深入了解后，利用SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計特點和設(shè)計庫功能，可以非常容易地構(gòu)建一套易于使用的傻瓜型電機改型設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計人員只要輸入相關(guān)參數(shù)后即可完成電機關(guān)鍵零部件的自動設(shè)計，大幅度提高設(shè)計效率。 2. 基于COSMOSWorks結(jié)構(gòu)強度及動態(tài)特性分析     電機設(shè)計遇到的主要問題有振動、噪聲和溫升三個方面，它們的好壞直接決定了電動機的性能。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的電機往往 “傻、大、笨、粗”，就是因為國內(nèi)企業(yè)沒有使用CAE軟件幫助分析電機的模態(tài)、振型等參數(shù)。要避免振動、噪聲，只有采用加大自重的手段。

6、電機是典型的旋轉(zhuǎn)動力機械，始終工作在高速旋轉(zhuǎn)的諧載荷下，必須分析電機的各階固有頻率、模態(tài)與振型，分析電機在諧載荷作用下的應力、應變。對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過改變設(shè)計參數(shù)，在滿足應力、應變及模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上追求質(zhì)量最小。     COSMOSWorks提供了電機結(jié)構(gòu)強度分析的完整解決方案。電機結(jié)構(gòu)要有足夠的強度，往往導致結(jié)構(gòu)尺寸較大，體積大，質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)笨重，成本高，通過COSMOSWorks的結(jié)構(gòu)分析可以確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸，做到在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全工作的同時又能減小結(jié)構(gòu)尺寸和重量，從而降低成本。通過結(jié)構(gòu)靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)在受到各種載荷作用下的應力分布和變形情況，為

7、結(jié)構(gòu)的剛強度設(shè)計提供依據(jù)。電機里面有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在啟動、停止、及工作過程中隨負載工作情況會不斷變化，在這種運動情況下需要進行結(jié)構(gòu)動力學的分析。首先確定結(jié)構(gòu)的固有振動特性，包括轉(zhuǎn)子、定子及電機殼體及整體的固有頻率、振型等，避免結(jié)構(gòu)的共振，保證轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)，無振動。另外還考慮結(jié)構(gòu)受正弦、隨時間任意變化的瞬態(tài)載荷作用下響應問題，在一定載荷譜作用下結(jié)構(gòu)的響應。底座、軸、支撐必須精確進行考慮，旋轉(zhuǎn)盤軸的動力學特性分析，以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。電機或電磁開關(guān)在突然啟動、受到?jīng)_擊或電源干擾等等情況下，往往產(chǎn)生很大的扭矩或其它作用力，嚴重時會導致某些零部件損毀，這可以用CAE的結(jié)構(gòu)分析來進行計算。 &

8、#160;   如果通過試驗手段來確定結(jié)構(gòu)的強度是否合理，需要作大量的試驗才能夠在保證結(jié)構(gòu)合格的情況下減輕構(gòu)件的重量。利用有限元分析軟件，能夠進行構(gòu)件的強度、振動模態(tài)、屈曲、動力響應、結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓撲優(yōu)化，一方面檢驗當前設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)強度方面的問題，另一方面，可以通過分析得到當前結(jié)構(gòu)在哪些地方還留有較大裕量，為進行結(jié)構(gòu)的減重提供依據(jù)，降低產(chǎn)品成本 3. 基于COSMOS EMS 的電磁場分析     傳統(tǒng)的電機學和電機設(shè)計中，習慣地把電機的分析和計算歸結(jié)為電路和磁路的計算問題。實際上，電路和磁路中的各個參數(shù)是由電機電磁場的場量得來，由于數(shù)值計

9、算和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，可以直接使用有限元軟件對電機的電磁場進行分析和計算。     借助于COSMOS EMS 軟件，能根據(jù)工作條件、幾何尺寸、材料特性等實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，自動進行槽型設(shè)計和線規(guī)選擇；精確預測分析電機在外部主電路、激勵、負載作用下的動態(tài)性能，分析電機啟動，突加突減負載、斷路、短路等條件下電機的運行特性；進行電場、穩(wěn)態(tài)磁場和交流磁場、動態(tài)電磁場、損耗計算和熱分析，分析渦流、位移電流、集膚效應和領(lǐng)近效應，從而得到電機、母線、變壓器、線圈中渦流的整體特性。功率損耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗(R和L)、力、轉(zhuǎn)矩、電感、儲能等參數(shù)實現(xiàn)自動計算。同時也可以給

10、出整個相位的磁力線、B和H分布圖、能量密度、溫度分布等圖形結(jié)果。     電機的分析主要涉及到其在靜態(tài)、瞬態(tài)或諧波載壓或載流條件下的磁場分布、漏磁系數(shù)、電磁作用力和力矩、啟動和停機特性等。利用CAE的電磁分析和場路耦合分析功能，能對這些部件進行完善的分析仿真和優(yōu)化設(shè)計，使其效率和功率更高、體積和重量更小。同時，這些部件的設(shè)計還涉及到熱和結(jié)構(gòu)的問題，若發(fā)熱量過高，則直接影響到其性能，如何進行散熱設(shè)計，這就需要用到CAE的熱和流體冷卻分析功能。     電機是一種電磁機械能量轉(zhuǎn)換裝置。為研究旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的機制，必須對電機內(nèi)的磁場分布

11、（尤其是氣隙磁場和槽內(nèi)磁場分布）有清楚的了解。電機的運行性能取決于電機的參數(shù)和損耗。為準確地進行電機地磁路、參數(shù)、損耗和電磁力等計算，必須知道氣隙、鐵心、槽內(nèi)、繞組端部以及某些結(jié)構(gòu)部件附近的電磁場分布。因此研究電機內(nèi)的電磁場對電機研制至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)的電磁場主要有以下幾類：1. 氣隙磁場；2. 鐵心內(nèi)的磁場；3. 繞組端部的磁場；4. 槽內(nèi)漏磁場和凸極電機主極的極間漏磁場；5. 實心轉(zhuǎn)子中的電磁場。另外交流電機轉(zhuǎn)子和導體中的渦流和集膚效應也是要重點關(guān)注的。 4. 基于COSMOSFloWorks的熱分析與流體分析     電機的正常運轉(zhuǎn)需要合適的溫度條件，受環(huán)

12、境條件及電機自身發(fā)熱及散熱的影響，電機局部的溫度可能會過高，影響電機的工作效率。因此熱設(shè)計也是電機設(shè)計中需要考慮的一個方面。通過CAE熱分析，可以準確計算轉(zhuǎn)子或?qū)w中產(chǎn)生的渦流，感應加熱及焦耳熱都可以得到。通過將電磁分析中焦耳熱讀入到CAE熱分析中，并相應考慮好對流、傳導、輻射等換熱條件，可以定量得到電機在各種工作情況下的溫度分布。并為電機的熱優(yōu)化設(shè)計提供參考。     采用COSMOSFloWorks可以實現(xiàn)設(shè)計與分析的無縫集成。在同一界面下進行協(xié)同設(shè)計，共享幾何模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師可以快速方便地全面分析系統(tǒng)的散熱與電磁兼容性這一對矛盾，并得出符合二者要求的設(shè)計

13、方案。 5. 耦合場分析     COSMOS軟件具有優(yōu)秀的耦合分析功能，可以將電磁、結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計綜合起來考慮，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。通過電磁分析得到焦耳熱，然后可以將其加到熱分析中得到結(jié)構(gòu)的溫度分布，同時在電磁分析得到的力力矩也可以傳遞給結(jié)構(gòu)靜力或動力分析，確定結(jié)構(gòu)的靜動力特性。另外還可以做電熱耦合，即穩(wěn)態(tài)電流引起的焦耳熱。結(jié)構(gòu)振動引起的噪聲問題（屬于流固耦合分析），場路耦合分析等等。為產(chǎn)品設(shè)計的各種要求提供全面的解決方案。 二、 構(gòu)建虛擬設(shè)計系統(tǒng)的突破點     企業(yè)的信息化建設(shè)是一個伴隨企業(yè)成長的歷史過程，不是一朝一夕能夠建好的

14、，應該按照“整體規(guī)劃、分步實施”的原則分階段建設(shè)。三維CAD軟件是設(shè)計復用、工程分析（CAE）和數(shù)控加工（CAM）的基礎(chǔ)，應該以SolidWorks軟件的普及為突破口，理由如下： （1） 從產(chǎn)品設(shè)計的角度     三維CAD可以非常方便的表達工程師的設(shè)計意圖，從而提高設(shè)計效率；     三維CAD的參數(shù)化技術(shù)可以提高設(shè)計成果的重用；     同事之間對設(shè)計意圖的交流更通暢；     虛擬樣機為創(chuàng)新設(shè)計提供了有力的工具；     虛擬樣機可以消除設(shè)

15、計錯誤。 （2） 從產(chǎn)品分析的角度     產(chǎn)品建模占有限元分析約60%的工作量，三維CAD能為有限元分析提供所需的產(chǎn)品模型；     三維CAD為產(chǎn)品運動仿真提供產(chǎn)品模型。 （3） 從制造的角度     用三維CAD軟件建造的產(chǎn)品模型可以直接輸入CAM軟件生成數(shù)控機床的加工代碼；     三維CAD軟件能以產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)自動設(shè)計注塑模和壓鑄模；     用三維CAD軟件設(shè)計的鈑金件能直接展開下料圖。     三維C

16、AD軟件的實施是一個系統(tǒng)工程，長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套將三維CAD軟件應用到產(chǎn)品設(shè)計中實施哲理，根據(jù)這一哲理，確立了培育戰(zhàn)略合作伙伴為主線的信息化建設(shè)策略。針對企業(yè)要解決的問題進行立項，和長沙凱士達公司一起工作，提出解決方案并付諸實施。具體實施策略包括： （1） 培訓先行     信息化應用成功的關(guān)鍵是人，而不是軟件，加強培訓力度是成功的保證。結(jié)合實際情況，主要開展的培訓有： SolidWorks 初級培訓 SolidWorks 高級培訓 SolidWorks 針對企業(yè)產(chǎn)品特點的培訓 （2） 學以致用     長沙凱士達公司創(chuàng)造了一套

17、將三維CAD軟件應用到產(chǎn)品設(shè)計中的新模式產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計導航。參照該模式，結(jié)合正在開發(fā)的產(chǎn)品，把三維CAD的應用和產(chǎn)品開發(fā)結(jié)合起來，可以在短期完成三維CAD軟件的普及應用。 （3） 項目合作     有限元分析的應用有一定難度，應該確定幾個急需解決項目，如電機的結(jié)構(gòu)分析、熱分析與流體分析，與高?；?qū)I(yè)的分析服務(wù)公司合作共同完成項目分析。合作中要作到雙方參與，重點在培訓企業(yè)自己的分析隊伍。 通過科學的實施手段，企業(yè)在短期內(nèi)普及了三維CAD軟件的應用。 三、 構(gòu)建基于三維CAD軟件的產(chǎn)品設(shè)計模式     傳統(tǒng)的設(shè)計流程是基于二維CAD環(huán)境建

18、立的，設(shè)計流程比較粗放，一般分為“功能設(shè)計、概念設(shè)計、詳細設(shè)計” 三個階段，至于每個階段的定義和所涉及的工作內(nèi)容，專家們從不同的角度給出了不同的定義，沒有統(tǒng)一的約定。由于三維CAD軟件的應用受到計算機硬件的限制，基于三維CAD軟件的設(shè)計思路與基于二維CAD軟件的設(shè)計思路有很大的不同，如果按照二維的思維模式和設(shè)計流程使用三維CAD軟件，不但不能體現(xiàn)出優(yōu)勢，可能反而表現(xiàn)出許多劣勢。要充分發(fā)揮三維CAD軟件的優(yōu)勢，必須探討一種新的設(shè)計流程和設(shè)計模式。 1. 產(chǎn)品設(shè)計模式     在概念設(shè)計階段要利用SolidWorks的布局草圖，首先建立總裝配圖文件，在裝配文件中繪制一

19、個或多個草圖，用草圖顯示每個零部件的位置，用 “塊”定義零件的尺寸和形狀，拖動零件檢查零部件之間的運動關(guān)系。概念設(shè)計階段形成的布局草圖是進行方案討論和小組協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。使用布局草圖設(shè)計裝配體最大的好處是如果您更改了布局草圖，則裝配體及其零件都會自動隨之更新。您僅需改變一處即可快速地完成修改。     總裝配一般采用自下而上的設(shè)計方法。限于目前計算機的速度，對大型裝配體進行自上而下的設(shè)計還不現(xiàn)實?？傃b配的設(shè)計策略是以概念設(shè)計階段完成的布局草圖為依據(jù)，插入子裝配體。     子裝配要合理地選擇。對于全新的設(shè)計建議采用自上而下的設(shè)計方法，

20、這樣可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計。如果需要引用已有零部件或標準件，則應兩種方法結(jié)合使用，首先建立布局草圖，以布局草圖為基礎(chǔ)插入模塊化的部件和零件，對新設(shè)計的零件，在裝配環(huán)境下確定其形狀、大小及在裝配體中位置。自上而下設(shè)計方法的優(yōu)點是當設(shè)計更改時，相關(guān)的零件將根據(jù)創(chuàng)建方法而自動更新。     對于廠標件和通用件，最好在零件模式下設(shè)計，而不要在裝配環(huán)境下采用自上而下的設(shè)計，以保持零件的通用性。 2. 設(shè)計與分析的協(xié)同工作     COSMOSWorks是SolidWorks軟件的一個插件，與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)完全一致

21、，操作界面統(tǒng)一，是一個功能完備的結(jié)構(gòu)分析軟件。使用COSMOSWorks進行結(jié)構(gòu)分析具有下面三個明顯的優(yōu)勢。     對CAD模型進行修改后，分析過程（包括網(wǎng)格劃分、載荷定義、邊界條件等）不需要重新定義，只需運行“分析”命令，程序就會對修改后的產(chǎn)品模型重新進行分析，方便快捷。     對產(chǎn)品進行多方案比較分析時，可在CAD環(huán)境下為每種方案建立一個配置，在分析環(huán)境下只需對一個配置進行分析過程的定義，對其它配置進行分析時，只需執(zhí)行一個“拖、拉”操作，將已經(jīng)定義的分析過程拷貝到新的配置下即可?？梢苑浅７奖愕貙崿F(xiàn)多方案的比較設(shè)計。     在COSMOSWorks中進行產(chǎn)品尺寸優(yōu)化設(shè)計時，SolidWorks 為每一組尺寸組合都建立對應配置，當用戶選擇優(yōu)化結(jié)果的最佳值或某一組尺寸組合時，不需要重新建模，只需在SolidWorks中選擇對應的配置，就得到了需要的產(chǎn)品模型。     做到設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)一，將極大地提高有限元分析的效率。可通過下面三種方法實現(xiàn)設(shè)計模型與分析模型的統(tǒng)一。     對所有設(shè)計人員進行有限元分析知識的培訓，了解有限元分析模型與產(chǎn)品詳細模型的區(qū)別，要求設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計是考慮有限元分析要求，對