CAE仿真在空調(diào)電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1、概述
用戶對(duì)高品質(zhì)生活的極致追求以及國家能效標(biāo)準(zhǔn)的提高,使得空調(diào)室外機(jī)的噪音性能越來越多的受到關(guān)注。振動(dòng)小、噪音低的特點(diǎn),對(duì)作為室外機(jī)重要組成部分的電機(jī)支架提出了更高的要求。同時(shí),在競爭極其激烈的家電行業(yè),不斷追求技術(shù)革新以及成本控制,運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)提高產(chǎn)品性能,并能采用較低的開發(fā)成本,是優(yōu)勢企業(yè)孜孜追求的目標(biāo)。
本文嘗試從理論出發(fā),采用HyperWorks/OptiStruct對(duì)某型號(hào)空調(diào)電機(jī)支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化設(shè)計(jì),有效提高了其剛度,并使得支架重量減輕,取得了良好的效果。
2、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
(1)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)簡介
拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是優(yōu)化技術(shù)中具有創(chuàng)新性的技術(shù),在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布,或者傳力路徑,從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設(shè)計(jì)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)的三要素:設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此,要確定支架優(yōu)化方案首先就要確定設(shè)計(jì)的三要素。本文拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用密度法,即將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個(gè)單元的“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量。
本次支架優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下:
圖1優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
(2)電機(jī)支架模型拓?fù)鋬?yōu)化
該電機(jī)支架原始結(jié)構(gòu)及有限元模型如圖2和圖3所示,在電機(jī)固定中心分別施加單位轉(zhuǎn)矩,計(jì)算該支架的剛度以及在單位轉(zhuǎn)矩激勵(lì)下的頻率響應(yīng)。
圖2電機(jī)支架原始幾何機(jī)構(gòu)及FEM模型
定義設(shè)計(jì)變量:綜合考慮電機(jī)支架的工作狀況,選擇電機(jī)給予支架轉(zhuǎn)矩作為目標(biāo)工況,將支架上除固定電機(jī)外的區(qū)域作為設(shè)計(jì)區(qū)域,如圖所示。紅色區(qū)域?yàn)榭梢宰鳛橥負(fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)區(qū)域,藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計(jì)區(qū)域。在材料尋優(yōu)過程中,將材料分布的方式對(duì)稱模式的約束PatternType定義為一平面對(duì)稱(1-plnsym)。
圖3電機(jī)支架拓?fù)鋬?yōu)化模型
定義響應(yīng):定義整個(gè)支架的一階彎曲模態(tài)為響應(yīng)mode,定義支架中間側(cè)板某點(diǎn)的頻響為響應(yīng)Freqresp。
定義設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)目標(biāo):設(shè)計(jì)約束為響應(yīng)mode的下限,即優(yōu)化出來的結(jié)構(gòu)的一階彎曲模態(tài)不小于原始結(jié)構(gòu)的模態(tài);設(shè)計(jì)目標(biāo)為側(cè)板中間某點(diǎn)最大頻響最小化,即最大Freqresp最小化。
拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果:
通過拓?fù)鋬?yōu)化分析,得到如圖所示材料分布云圖,通過幾何重構(gòu)并重新劃分網(wǎng)格,畫出拓?fù)鋬?yōu)化后的支架FEM模型,如圖4所示。
圖4支架拓?fù)鋬?yōu)化云圖及幾何重構(gòu)后的FEM模型
3、形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)
(1)形貌優(yōu)化技術(shù)簡介
形貌優(yōu)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于提高各種沖壓板件的性能。
在形貌優(yōu)化中,設(shè)計(jì)空間由大量的節(jié)點(diǎn)波動(dòng)向量組成,這些節(jié)點(diǎn)波動(dòng)向量按照一定的模式進(jìn)行組合以滿足設(shè)計(jì)約束,并最終生成優(yōu)化后的最佳形貌。
(2)支架形貌優(yōu)化
針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的電機(jī)支架,為進(jìn)一步提高其剛度,對(duì)其進(jìn)行形貌優(yōu)化,在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。在形貌優(yōu)化進(jìn)行過程中,同樣需要定義設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)目標(biāo):
定義設(shè)計(jì)變量:以支架實(shí)際固定在機(jī)器上的狀態(tài)考察約束模態(tài)工況,固定支架兩端打螺釘部位,進(jìn)行模態(tài)分析。同樣將支架上除固定電機(jī)之外的區(qū)域作為設(shè)計(jì)區(qū)域,如圖5所示,圖中顏色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)域,顏色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計(jì)區(qū)域。同樣,在起筋優(yōu)化時(shí),選擇筋的對(duì)稱模式的約束為一平面對(duì)稱(1-plnsym)。
圖5支架形貌優(yōu)化模型
定義響應(yīng):定義支架在約束模態(tài)工況下的第一階彎曲模態(tài)為響應(yīng)mode。
定義設(shè)計(jì)目標(biāo):定義設(shè)計(jì)目標(biāo)為響應(yīng)mode最大化,即支架一階模態(tài)最大化。
形貌優(yōu)化結(jié)果:OptiStruct優(yōu)化給出的起筋云圖如圖6所示,筋的分布基本是對(duì)稱的,對(duì)照此云圖可對(duì)支架進(jìn)行幾何重構(gòu)。
圖6支架形貌優(yōu)化云圖
4、優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證
結(jié)合以上拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化得到的支架結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)分析及頻響分析,將結(jié)果與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。
(1)約束模態(tài)分析結(jié)果
計(jì)算結(jié)果可知,在同等厚度情況下,優(yōu)化后支架的一階彎曲頻率為49.2Hz,優(yōu)化前為32.1Hz,優(yōu)化后支架的二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為65.1Hz,優(yōu)化前為60.6Hz,前兩階主要模態(tài)均有較大的提升。
(2)頻響分析結(jié)果
圖7優(yōu)化前后支架中部某測點(diǎn)的頻響
分析得知,在工作轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)頻域(虛線紅圈內(nèi)),優(yōu)化后支架中部某測點(diǎn)頻響相比原始結(jié)構(gòu)有62.8%的下降,振動(dòng)量改善較大,更有利于電機(jī)工作穩(wěn)定。
5、結(jié)論
本文通過理論工具并結(jié)合數(shù)值模擬的方法,對(duì)空調(diào)電機(jī)支架進(jìn)行了有效的拓?fù)鋬?yōu)化及形貌優(yōu)化設(shè)計(jì),找到了最佳的材料分布形式及最優(yōu)的加強(qiáng)筋方式。經(jīng)過優(yōu)化后的新支架的結(jié)構(gòu),與原始結(jié)構(gòu)的空調(diào)支架相比,厚度相同,重量下降4.6%↓,剛度性能提升53.2%↑,側(cè)板振動(dòng)量下降62.8%↓,結(jié)果如下表所示:
表1電機(jī)支架優(yōu)化結(jié)果
綜上所述,本文應(yīng)用HyperWorks軟件OptiStruct模塊對(duì)空調(diào)支架進(jìn)行了成功的嘗試,采用拓?fù)鋬?yōu)化與形貌優(yōu)化結(jié)合的方法,可以高效快速的尋找材料最佳分布方式及形貌,為設(shè)計(jì)者提供新的設(shè)計(jì)開發(fā)的思路,在確保性能的前提下,可以顯著提高設(shè)計(jì)的效率,節(jié)約樣機(jī),大大縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。該方法可以推廣到其他類似零部件的工程設(shè)計(jì)中去,具有良好的工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。
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