基于Creo_4.0的电动机支撑架结构优化设计_马雪芳.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师基于Creo 4.0的电动机支撑架结构优化设计马雪芳（特灵科技亚太研发中心，江苏 太仓 215400）0引言在电动机支撑架工作过程中，底部折弯处容易产生应力集中，局部应力很高，导致零件失效3。此次设计利用Creo模块中的Simulate对支撑架结构进行有限元分析，将失效模式复现，对结构进行优化设计，使支撑架的应力值满足设计要求。1设计方案图1所示为电动机与鼓风机的组装图，图中标注部分是需要设计的电动机支撑架，电动机支撑架使用的材料是STEEL，此次设计的目标是使其最大应力值要小于10 MPa2。针对此次设计，准备了3个方案，如表1所示。2分析2.1Creo Simulate工作流程简介图2所示为Creo Simulate工作流程。其中“创建网格”这个步骤在Simulate中可以默认划分，如果希望更精确或者局部数据更精确，可以自定义网格。以方案1中的截面1的形状分析为例，具体分析步骤如下：1）建立模型（如图3）；2）进入到Simulate分析界面（如图4），确定负载和约束条件（如图5）；3）运行分析（如图6）。2.2方案1：不同截面对应力的影响设计了4个不同截面，如图7所示。给这些不同截面的支撑架定义相同的负载和约束,所得到的分析结果为：1）截面1的位移和应力（如图8）；2）截面2的位移和应力（如摘要：通过使用Creo 4.0软件中的Simulate设计电动机支撑架，在其开发期间做到应力值低于10 MPa。通过改变截面形状、增加倒角、增加加强筋等3种方式进行试验，最终采用“Z”字形截面、增加倒角和加强筋组合的方案，符合设计要求。关键词：仿真；有限元分析；加强筋；倒角中图分类号:TH 122；TP 391.7文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08008904Structural Optimization Design of Motor Support Frame Based on Creo 4.0MA Xuefang(Trane Asia-Pacific EngineeringTechnologyCenter,Taicang215400,China)Abstract:The motor support frame is designed by using Simulate in Creo 4.0 software to achieve a stress value of lessthan 10 MPa during its development,and was tested in three ways,including changing the cross-section shape,addingchamfers,and adding reinforcement.Finally,a combination of Z-shaped section,chamfer and reinforcement is adopted tomeet the design requirements.Keywords:simulation;finite element analysis;reinforcement rib;chamfer图1电动机与鼓风机组装图（模型来源于PTC）表1电动机支撑架研究方案方案说明方案1用4个不同截面，对不同截面形状的支撑架进行分析方案2在应力集中处增加圆角和斜角并进行分析方案3在应力集中处增加加强筋并进行分析图2Creo Simulate工作流程图图3截面1模型图4Simulate 操作界面电动机支撑架89MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师图7截面图图8截面1应力和位移分析图图9截面2应力和位移分析图表2支撑架截面分析数据截面极值位移量/mm应力/MPa1最大0.01920.995最小00.0102最大0.14260.260最小00.0503最大0.04819.652最小00.0094最大0.16153.330最小00.093图9）；3）截面3的位移和应力（如图10）；4）截面4的位移和应力（如图11）。整理分析数据可知，截面1位移量最小，截面3应力最小但位移量是截面1的2.5倍，综合考虑选截面1继续分析较为合适，数据如表2所示。2.3 方案2：增加倒角从方案1分析结果来看，发现应力集中在底部折弯处，如图12所示。钣金厚度为4 mm，在底部折弯处增加一个R4的圆角，在顶部折弯处增加一个D1D2（2 mm10 mm）的斜角，分析结果如图13所示。整理分析数据可以看出，增加倒角后的位移量从0.19 mm减少到0.015 mm，最大应力值从20.995 MPa 减 少 到 14.745MPa,模型已经有了很大的改善，但还没有达到目标，对比数据如表3所示。2.4方案3：增加加强筋1）在倒角后的基础上继续优化模型，增加3015 mm（根据经验试取）、厚度为4 mm的加强筋（如图14），所得分析结果如图15所示。由图15（a）中可见，加强筋上面尖角处有小部分应力集中，而且最大应力为12.659 MPa，超出目标值（10 MPa）范围，所以要继续优化模型。2）将加强筋的尺寸改为3022mm，厚度仍为4 mm，再次模拟分析，结果如图16所示。整理数据后可以看出，在倒角后的基础上加上加强筋，位移量和应力有了很大改善。当加上3015 mm的加强筋，最大位移量从0.015 mm减小到0.006 mm,最大应力值从14.745 MPa减图5模型设置约束和负载图图6运行分析图90MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师图10截面3应力和位移分析图图11截面4应力和位移分析图表5侧面施力的数据对比表4截面1加上加强筋并倒角后的数据对比对比项极值位移量/mm应力/MPa加R4倒圆角，斜角D1D2（2 mm10 mm）最大0.01514.745最小00.0173015加强筋并倒角最大0.00612.659最小00.0093022加强筋并倒角最大0.0028.017最小00.008表3 截面1倒角后的数据对比对比项极值位移量/mm应力/MPa未加倒角最大0.01920.995最小00.010加R4倒圆角，斜角D1D2（2 mm10 mm）最大0.01514.745最小00.017改进措施极值位移量/mm应力/kPa加R4倒圆角，斜角D1D2（2 mm10 mm），3022加强筋最大9.1610-60.477最小00.006图13倒角后的应力和位移分析图图12应力集中处小到12.695 MPa；当加上3022 mm的加强筋，最大位移量从0.015 mm减小到0.002 mm，最大应力值从14.745MPa减小到8.017 MPa，已经在目标值（10 MPa）的范围内，对比数据如表4所示。综上所述，这个支撑架最终设计为截面1，倒角并加上3022 mm的加强筋。2.5其他影响1）为了更加准确地验证此支撑架，将此零件侧面固定，另一侧施加10 lb（44.45 N）的力，结果如图17所示，数据对比如表5所示。由表5可见，侧面施加的力对支撑架的影响几乎可以忽略。2）将支撑架装配到模型中，模拟电动机运行过程中的受力情况2。底面固定，侧面Y方向施加200 lb（889 N）的力，Z方向施加-200 lb（-889 N）的力,分析结果如图18所示。由图18可见，最大位移量为0.012 mm，应力基本为7.75610-9MPa，说明设计的支撑架符合要求。3结论采用Creo Simulate对电动机支撑架模型进行有限元分析，最终在3种设计方案中确定“Z”字形截面为基础、增加倒角和加强筋组合的方式符合设计要求。最大应力值由20.995 MPa降低到8.017 MPa,最大位移量由0.019 mm降低到0.002 mm,说明设计的支撑架符合要求。Creo Simulate对于常规的结构分析，减少了试验次数，大幅缩短了设计开发周期，节约了开发成本。91MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师（上接第88页）5邓小雷,傅建中,贺永,等.精密数控机床主轴系统多物理场耦合热态特性J.浙江大学学报(工学版),2013,47(10):1863-1870.6郭策,孙庆鸿.高速高精度数控车床主轴系统的热特性分析及热变形计算J.东南大学学报(自然科学版),2005(2):231-234.7MA P,ZHOU B,LI D N,et al.Thermal Analysis of High SpeedBuilt-in Spindle by Finite Element MethodC/4th InternationalConference on High Speed Machining.2011:596-601.8罗勋,殷国富,方辉,等.HTM6380卧式加工中心立柱主轴系统热态特性研究J.组合机床与自动化加工技术,2014(3):63-65,77.9朱红钧.ANSYS 14.5热流固耦合实战指南M.北京:人民邮电出版社,2014:379.（编辑邵明涛）作者简介：何全文（1989）,男,工程硕士,工程师,研究方向为机械产品绿色设计与有限元分析。收稿日期：2022-09-15图14加强筋的位置和尺寸图153015 mm加强筋的应力和位移分析图（b）（a）图17侧面施力的应力和位移分析图图163022 mm加强筋的应力和位移分析图图18支撑架装入电动机模型中的应力和位移分析图参考文献1张洪涛.野火版4.0/5.0机械结构分析实战M.北京:机械工业出版社,2011:23-75.2The Simulate ApplicationEB/OL.https:/