基于HyperWorks OptiStruct的空调电机支架优化设计

发表于 2016-3-31 17:02:43 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 打印 上一主题 下一主题 0 16868

    本文针对某型号空调的电机支架的轻量化并高性能化的问题,采用Altair公司的HyperWorks/OptiStruct进行了拓扑优化和形貌优化设计,得到了合理的材料分布和加强筋分布形式。优化后的结构相比原始结构,重量减轻4.6%的同时,刚度提升53.2%,达成设计目标。该支架优化设计的思路,提高了设计效率,可为后续相关零部件的设计提供参考和借鉴。

    1 概述

      用户对高品质生活的极致追求以及国家能效标准的提高,使得空调室外机的噪音性能越来越多的受到关注。振动小、噪音低的特点,对作为室外机重要组成部分的电机支架提出了更高的要求。同时,在竞争极其激烈的家电行业,不断追求技术革新以及成本控制,运用先进的技术提高产品性能,并能采用较低的开发成本,是优势企业孜孜追求的目标。

      本文尝试从理论出发,采用HyperWorks OptiStruct对某型号空调电机支架进行了拓扑优化及形貌优化设计,有效提高了其刚度,并使得支架重量减轻,取得了良好的效果。

      2 拓扑优化设计

      2.1 拓扑优化技术简介

      拓扑优化技术是优化技术中具有创新性的技术,在给定的设计空间内找到最佳的材料分布,或者传力路径,从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。

      优化设计的三要素:设计变量、设计约束和设计目标。因此,要确定支架优化方案首先就要确定设计的三要素。本文拓扑优化的材料模式采用密度法,即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量。

      本次支架优化设计流程如下:

图1 优化设计流程图

      2.2 电机支架模型拓扑优化

      该电机支架原始结构及有限元模型如图2和图3所示,在电机固定中心分别施加单位转矩,计算该支架的刚度以及在单位转矩激励下的频率响应。

图2 电机支架原始几何机构及FEM模型

      定义设计变量:综合考虑电机支架的工作状况,选择电机给予支架转矩作为目标工况,将支架上除固定电机外的区域作为设计区域,如图所示。红色区域为可以作为拓扑优化的设计区域,蓝色区域为非设计区域。在材料寻优过程中,将材料分布的方式对称模式的约束Pattern Type定义为一 平面对称(1-pln sym)。

图3 电机支架拓扑优化模型

      定义响应:定义整个支架的一阶弯曲模态为响应mode,定义支架中间侧板某点的频响为响应Freqresp。

      定义设计约束、设计目标:设计约束为响应mode的下限,即优化出来的结构的一阶弯曲模态不小于原始结构的模态;设计目标为侧板中间某点最大频响最小化,即最大Freqresp最小化。

      拓扑优化结果:

      通过拓扑优化分析,得到如图所示材料分布云图,通过几何重构并重新划分网格,画出拓扑优化后的支架FEM模型,如图4所示。

图4 支架拓扑优化云图及几何重构后的FEM模型

      3 形貌优化设计

      3.1 形貌优化技术简介

      形貌优化技术广泛应用于提高各种冲压板件的性能。

      在形貌优化中,设计空间由大量的节点波动向量组成,这些节点波动向量按照一定的模式进行组合以满足设计约束,并最终生成优化后的最佳形貌。
      本文针对某型号空调的电机支架的轻量化并高性能化的问题,采用Altair公司的HyperWorks/OptiStruct进行了拓扑优化和形貌优化设计,得到了合理的材料分布和加强筋分布形式。优化后的结构相比原始结构,重量减轻4.6%的同时,刚度提升53.2%,达成设计目标。该支架优化设计的思路,提高了设计效率,可为后续相关零部件的设计提供参考和借鉴。

      3.2 支架形貌优化

      针对拓扑优化后的电机支架,为进一步提高其刚度,对其进行形貌优化,在拓扑结构基础上增加加强筋的设计。在形貌优化进行过程中,同样需要定义设计变量、设计约束和设计目标:

      定义设计变量:以支架实际固定在机器上的状态考察约束模态工况,固定支架两端打螺钉部位,进行模态分析。同样将支架上除固定电机之外的区域作为设计区域,如图5所示,图中颜色区域为设计区域,颜色区域为非设计区域。同样,在起筋优化时,选择筋的对称模式的约束为一平面对称(1-pln sym)。

图5 支架形貌优化模型

      定义响应:定义支架在约束模态工况下的第一阶弯曲模态为响应mode。

      定义设计目标:定义设计目标为响应mode最大化,即支架一阶模态最大化。

      形貌优化结果:OptiStruct优化给出的起筋云图如图6所示,筋的分布基本是对称的,对照此云图可对支架进行几何重构。

图6 支架形貌优化云图
      4 优化结果验证

      结合以上拓扑优化及形貌优化得到的支架结构,对其进行约束模态分析及频响分析,将结果与优化前的结构进行对比。


      4.1 约束模态分析结果
图7 支架的一阶模态

图8 支架的二阶模态


      计算结果可知,在同等厚度情况下,优化后支架的一阶弯曲频率为49.2Hz,优化前为32.1Hz,优化后支架的二阶扭转模态为65.1Hz,优化前为60.6Hz,前两阶主要模态均有较大的提升。

      4.2 频响分析结果

图9 优化前后支架中部某测点的频响

      分析得知,在工作转速关联频域(虚线红圈内),优化后支架中部某测点频响相比原始结构有62.8%的下降,振动量改善较大,更有利于电机工作稳定。

      5 结论

      本文通过理论工具并结合数值模拟的方法,对空调电机支架进行了有效的拓扑优化及形貌优化设计,找到了最佳的材料分布形式及最优的加强筋方式。经过优化后的新支架的结构,与原始结构的空调支架相比,厚度相同,重量下降4.6%↓,刚度性能提升53.2%↑,侧板振动量下降62.8%↓,结果如下表所示:

表1 电机支架优化结果


      综上所述,本文应用HyperWorks软件OptiStruct模块对空调支架进行了成功的尝试,采用拓扑优化与形貌优化结合的方法,可以高效快速的寻找材料最佳分布方式及形貌,为设计者提供新的设计开发的思路,在确保性能的前提下,可以显著提高设计的效率,节约样机,大大缩短开发周期,降低开发成本。该方法可以推广到其他类似零部件的工程设计中去,具有良好的工程设计指导意义。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空间QQ空间 腾讯微博腾讯微博 腾讯朋友腾讯朋友
收藏收藏 支持支持 反对反对
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

热帖更多>

网友分享更多 >

  • AX1800京东云无线宝无线路由器拆机,3D
  • 3D Systems阻燃尼龙材料如何应用在阿联
  • 走访快速制造国家级殿堂 ——西安航空
  • PTC Creo 和 3D打印增材制造:您的所见
  • 影为医疗与上海探真达成战略合作 联手
   
手机版|联系我们| |网站地图
GMT+8, 2024-12-22 18:14 , Processed in 0.063290 second(s), 10 queries , Gzip On, Redis On.
快速回复 返回顶部 返回列表