高速电机转子冲片的强度设计（六）——极限失效扭矩及最大压装力计算方法（中）.docxVIP

3极限松脱扭矩及影响因素仿真计算方法

本节主要技能点：1、采用有限元方法，计算硅钢片极限松脱扭矩的计算方法与结果评价指标。2、网格划分策略与有限元分析计算成本权衡。

考虑到仿真与手算的差异及对照验证复杂度，本文的仿真部分，并未参考上文计算结果。

首先重点计算松脱扭矩及各种影响计算精度参数的对比验证案例，而后简单介绍轴向压装力的分析方法。分析模块采用静力学分析，因实际加载一般十分平稳，无需考虑惯性与时间关系。

下图为完成的各种仿真案例。其包括对10mm轴向尺寸转轴与硅钢片模型，加载从0N·m~100N·m的线性渐变扭矩，计算临界失效扭矩的方法。为验证不同参数，对松脱扭矩的影响关系，还进行了不同摩擦系数、网格尺寸、转速、过盈量等的对比计算，共计29次重复计算。耗时约一星期。

图-7?本文的计算案例

按照原计划，本文还希望进行，不同温度影响的对比计算，但考虑到笔者1000G固态硬盘即将用罄，该计划搁浅。完成全部案例时，本文用仿真文件，共计占用919G空间。

图-8?仿真结果文件容量

本文采用的几何模型与之前的案例略有不同。其不再使用1mm轴向长度，而是使用SCDM模块，将模型总体轴向延伸增加到10mm。从而更好的对比过盈配合接触状态，沿电机轴向长度的分布关系。其缺点为计算量，将几乎等比例增加9倍。这就是为什么仅29个Case，即耗尽919G硬盘容量的主要原因。

图-9?仿真用几何模型

为节约计算量，本案例采用ANSYSWorkbench默认的“结构钢”材料。并仅考虑线弹性材料属性及小变形条件。

图-10?材料属性设置

过盈配合设置。本文与之前案例类似，对转轴与硅钢片间设置一组摩擦接触。并设置偏置，从而表达过盈量效应。

图-11?过盈配合设置

与之前案例不同的是，本案例为减少磁钢及外圈隔磁桥，在扭矩载荷作用下的变形，将磁钢四周与硅钢片四周内壁，均使用绑定接触进行连接。其连接刚度将大于实际产品。

网格划分情况。采用转轴与硅钢片设置体网格，并在过盈配合两面，分别设置局部3级单元细化的方式，划分本案例网格。当后续对比不同网格尺寸影响时，仅调整转轴及硅钢片的体网格尺寸。同步的，其过盈配合表面网格尺寸，也随着总体网格尺寸以及3级细化设置的存在，而等比例缩小。

图-12?网格划分情况

载荷与边界条件设置。对转轴内孔设置固定位移约束。对硅钢片外径设置扭矩载荷。

图-13?载荷与边界条件设置

下图为扭矩载荷的设置方法。其在分析设置中，采用2个载荷步，并设置扭矩载荷。同时，扭矩载荷设置右下角的表格中，对第一个载荷步关闭其加载，从而将第一个载荷步，用于过盈配合效应的实现。当其收敛后，在第二个载荷步，设置从0N·m~100N·m线性增加扭矩载荷。

下面其他案例与载荷设置方法类似。从而实现对不同载荷步时，加载或生效或禁止某些载荷的生成与禁止作用。该功能非常适合，多工况先后加载对比。需要注意的是，本案例采用线性静力学计算方法，其载荷影响不随着载荷步及载荷加载顺序的影响，即无论之前载荷如何设置，后续载荷步的结果，均不被前一步或前几步的影响。

如果采用非线性静力学材料属性，比如本系列前文的极限转速案例中，介绍的真实应力-应变曲线，而且载荷足够增大至，进入屈服状态或者考虑时间因素的瞬态动力学等。

图-14?扭矩载荷设置

网格设置方法。前文介绍过，本文将验证不同网格尺寸，对极限松脱扭矩的影响。主要为调整下文单元尺寸中，0.6mm数值。

为尽量包含足够广阔的网格尺寸范围，本文将对0.6mm~2.2mm之间，近四倍的尺寸差异进行对比计算。

一般而言，对于任何需要进行网格划分或其他离散化操作的数值模拟计算技术，都需要验证离散误差，对结果的影响。同时，必须考虑计算量、计算时间、设置难度、调试难度等成本因素，从而综合选取最适合的策略。必要时，可采用分级计算策略。如当deadline限制，必须3天内完成计算时，则坚决不考虑任何，一个月才能完成的计算策略等。

对于在校生而言，一个仿真案例，往往以月甚至半年为行动期限；就企业而言，一般以星期、天、甚至小时为单位。故其行动策略完全不同。

一般对于有限元方法，随着不同网格尺寸与密度的变化，其关键结果将出现一条曲线状变化趋势。每相邻计算结果之间，从较为粗糙网格的差异较大，逐渐接近并趋于平缓。即实现结果的网格无关性。

建议首先对较为粗大的网格进行试算，并下一次对关键位置，如应力集中点附近或过盈配合面附近，采用70%左右网格尺寸再次计算，而后采用70%的70%即原始50%网格尺寸再次计算。重复以上5次或更多，直至出现结果区域平缓的过程。

笔者作为企业内的强度性能开发工程师，主要追求效率优先的基本策略。六面体网格因其综合成本过于遥不可及，技术上不建议选用。而四面体则无论生成网格的难度，还是计算成本均十分友好。但碍于众所周知的因非技术角度因素，