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ANSYS在超聲電機設(shè)計中的應(yīng)用


摘要:介紹了有限元分析軟件ANSYS的架構(gòu)、主要分析功能及其在超星型卸料器聲電機設(shè)計中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:ANYK型圓形振動篩SYS;超聲電機;計算機輔助工程

1 引給料機械言

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和藕合場分析于一體的大型通用有限元軟件,其具有強大的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計功能。它能與大多數(shù)CAD軟件連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,ANSYS自帶的編程語言APDL可供用戶以ANSYS為平臺,進行二次開發(fā),是強有力的計算工具,其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。在超聲電機的設(shè)計研究中震篩機,ANSYS軟件受到廣大研究入員的青睞,已被廣泛地應(yīng)用于超聲電機振子模態(tài)設(shè)計和優(yōu)化中。

2 ANSYS主機制砂石設(shè)備要分析功能

ANS原煤分級篩YS軟件的主要功能有靜力學分析、動力學分析、熱力學分析、流體分析、藕合場分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。當慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著時,可用靜力學分析求解穩(wěn)態(tài)外載荷引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。也可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性,如大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。

動力學分析包括模態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學分析,主要用來分析復雜結(jié)振動給料裝置構(gòu)在空間中的運動特性,并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析和熱-結(jié)構(gòu)禍合分析??商幚頍醾鬟f的三種基本類型:傳導、對流和輻射。計算系統(tǒng)或部件由于熱載荷引起的溫度分布及熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。

流體力學分析包括計算流體力學分析(層流、湍螺旋送料機流和熱流體)和聲學分析。對流幣權(quán)單元進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析。

ANSYS軟件作為一個功能強大的結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件,具有多物理場禍合的功能,允許在同一模型上進行各種禍合計算,如:熱-應(yīng)力、磁-熱、磁-結(jié)篩分給料機構(gòu)、流體-熱、流體-結(jié)構(gòu)、熱-電、電路藕合電磁場、電磁及壓電禍合分析等。

通過定義設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)等優(yōu)化變量,可利用ANSYS的優(yōu)化工具和參數(shù)設(shè)DS型斗式連續(xù)輸送機計語言APDL對模型進行尺寸、形狀、支撐位置、制造費用、固有頻率、材料等優(yōu)化設(shè)計。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法:零階方法和一階方法。對于這兩種方法,ANSYS程序提供了一系列的分析-評估-修正的循環(huán)過程。

3 ANSYS在超聲電機可彎曲刮板輸送機設(shè)計中的應(yīng)用

超聲電機(Ultrasonic Motor)是利用壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic)具有的逆壓電效應(yīng),即在交變電場作用下,壓電陶瓷會產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象,通過各種伸縮振動TD、D型斗提機模式的轉(zhuǎn)換與禍合,將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動能,并利用摩擦轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)(或其它運動方式)機械能的馭動裝置。其原理如圖所示。超聲電機是一種新的自動控制執(zhí)行器,是對傳統(tǒng)電磁電機的突破和有力的補充,有很大的應(yīng)用前景。

有物料輸送機限元法是對超聲電機振子進行頻率、模態(tài)分析時最常用的方法。它的優(yōu)點在于能適應(yīng)較為復雜的情況,包括振子所受的力和約束邊界條件,結(jié)構(gòu)阻尼,和不同材料、復雜形狀組成的結(jié)構(gòu)等。ANSYS軟件的出現(xiàn),為對超聲電機進行有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、運動仿真、模塊化設(shè)計等方面的設(shè)計提供了一種實現(xiàn)手段。

超聲電機實際上是超聲頻域內(nèi)的振動電機。不管是行波型或駐波型、旋轉(zhuǎn)型或直線型超聲電機都是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來激發(fā)起定子在超聲域內(nèi)的共振(振幅為微米級),再通過定子轉(zhuǎn)子或定子動子之間的摩擦作用,將其微米級破碎篩分共振振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子或動子的單方向的宏觀轉(zhuǎn)動或直線運動。由此,定子的動態(tài)特性(共振頻率及其振型)就至關(guān)重要。選取超聲電機定子的最佳共振頻率及其振型,并根據(jù)其振型來設(shè)計壓電陶瓷片的形狀及其分區(qū)極化的配置是超聲電機設(shè)計的首要問題。應(yīng)用ANSYS進行模態(tài)分析求解超聲電機振子的固有頻率和振型,其動力方程是:

[M](x(t))+[K](XZS系列旋振篩x(t))=0

[M]為質(zhì)量矩陣,[K]為剛度矩陣,(x(t))為位移向量。

[K]中的每一個元素都與結(jié)構(gòu)模型中的節(jié)點坐標有關(guān),為保證[K]能夠較好地反映結(jié)構(gòu)的真實剛度,應(yīng)使所建立的實體模型真實反映模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀。還應(yīng)建立一個準確的力學模型,施加外載荷和邊界約束條件。

模態(tài)分析可以確定超聲電機的振動模態(tài)、共振頻率以及共振時的振型,根據(jù)所得結(jié)果和期望結(jié)果的差異來調(diào)整電機結(jié)構(gòu)尺寸并進行支撐設(shè)計,對于初步的電機結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大作用。在完成電機模態(tài)分析和設(shè)計后,可以確定諧響應(yīng)分析的頻率范圍,接著進行諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析可以求出某個節(jié)點在某個頻率點下的振幅,這個振幅是絕對值,不象模態(tài)分析中,振幅是一個相對值。再根據(jù)諧響應(yīng)分析的結(jié)果對電機的定子的結(jié)構(gòu)進行改進,進一步優(yōu)化設(shè)計電機。

利用ANSYS軟件強大的分析和優(yōu)化功能,我們設(shè)計了多種直線型超聲電機,對其運動機理進行了研究,為以后的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻
[1] 王國強 實用工程數(shù)俏模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐 [M] 西安:西北工業(yè)大學出版社,1999
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[3] 趙淳生 21世紀超聲電機技術(shù)展望[J] 振動、測試與診斷,2000 20(1)
[4] 清華大學工程力學系 機械振動 [M] 北京:機械下業(yè)出版社 1980

作者簡介:王惠文(1975-),男,碩士研究生,研究方向為機電一體化 (

 

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