四 爆裂轉(zhuǎn)速工況下強(qiáng)度仿真分析流程案例
仿真分析仍以靜力學(xué)模塊為基礎(chǔ)，并復(fù)制了之前案例文件的大部分設(shè)置。不同的是，新增了塑形材料的設(shè)置以及多荷載步加載轉(zhuǎn)速荷載與應(yīng)力結(jié)果評(píng)定的部分等。
硅鋼片材料力學(xué)屬性的完備程度，主要取決于鋼廠供應(yīng)商的技術(shù)水平與檢測(cè)能力。對(duì)于一般的最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況，因運(yùn)行在屈服強(qiáng)度以下工況，一般需要彈性模量、波松比、密度等物理屬性以及拉伸屈服強(qiáng)度等力學(xué)屬性即可。當(dāng)考慮爆裂轉(zhuǎn)速等極端工況時(shí)，需設(shè)置考慮塑性的非線性屬性。
一般推薦雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。雙線性表示彈性和塑性階段為兩段直線構(gòu)成，其相對(duì)簡(jiǎn)單且易于手工進(jìn)行工程應(yīng)力-應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的轉(zhuǎn)換；隨動(dòng)強(qiáng)化模型可模擬多次加載與卸載后屈服強(qiáng)度的變化，適合查看不同轉(zhuǎn)速對(duì)隔磁橋應(yīng)力的影響。
本案例的材料屬性采用，寶鋼某牌號(hào)硅鋼片的拉伸力學(xué)性能曲線。其工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖所示。
圖-60 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以下列公式搭配0.3波松比，將工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：真實(shí)應(yīng)力/工程應(yīng)力=1/（1-工程應(yīng)變*泊松比）2以上曲線中，18%延伸率下?lián)碛袔缀踝罡邞?yīng)力，即抗拉強(qiáng)度約525Mpa。則帶入以上公式得=525/（1-15%*0.3）2=586.6Mpa586.6相對(duì)525增加約17%。這意味著如果未經(jīng)轉(zhuǎn)換，可能會(huì)帶來約1/6比例的因材料屬性，而人為引入的誤差。下面進(jìn)入ANSYS Workbench環(huán)境并打開靜力學(xué)分析模塊。雙擊A2項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)源，并向上進(jìn)入材料庫(kù)。如圖-61所示。進(jìn)入材料庫(kù)以后，其中部從上到下分別為，已選的材料名稱及其下方的具體材料屬性。如結(jié)構(gòu)鋼，即為Workbench環(huán)境中的默認(rèn)材料。一般情況下，可選用現(xiàn)有材料庫(kù)中的屬性，當(dāng)實(shí)際材料遠(yuǎn)與之不同時(shí)，建議新建材料并設(shè)置合適的屬性。向左上角單擊工程數(shù)據(jù)源，進(jìn)入材料庫(kù)內(nèi)部，并可新建用戶自定義材料。如圖-62所示。進(jìn)入材料庫(kù)后，默認(rèn)的材料從上到下，分別為總體的材料類型庫(kù)、某個(gè)材料庫(kù)中的材料名稱、該名稱材料的具體屬性等。如需新建材料，需在總體材料類型庫(kù)中，下拉到最下方的新建材料，并將其命名為一個(gè)材料庫(kù)總體的名稱，而后在下方，新建具體的材料名稱，并從左側(cè)拖拽合適的材料屬性到新建材料中，最后輸入合適的材料屬性并保存。如圖-63所示。以下圖-64為例，當(dāng)新建一個(gè)名為“1”的總體材料庫(kù)時(shí)，應(yīng)選中其后方的對(duì)號(hào)圖標(biāo)，進(jìn)入可編輯模式，方可具體設(shè)置材料屬性。單擊上方在材料庫(kù)“1”，向下在outline of 1中再新建一個(gè)名為“1”的材料名稱。從左上角塑性行為中拖拽雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，到下方的材料“1”中。如圖-65所示。圖-65 設(shè)置雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以設(shè)置的參數(shù)主要有兩個(gè)，屈服強(qiáng)度與切線模量。其中前者為從彈性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，即上文拉伸實(shí)驗(yàn)圖中的屈服強(qiáng)度值。后者為描述屈服后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的傾斜射線與水平坐標(biāo)的角度比例值。一般而言為上升關(guān)系，如簡(jiǎn)化計(jì)算可設(shè)置為0。即無論應(yīng)變多少，應(yīng)力值不增加。如出現(xiàn)下圖出現(xiàn)黃色提示，說明某些位置需要補(bǔ)充數(shù)據(jù)。如圖-66所示。以上兩個(gè)數(shù)據(jù)的單位可在后方隨時(shí)分別設(shè)置，并經(jīng)ANSYS軟件自動(dòng)單位換算，十分方便可靠。以上僅代表屈服后的材料屬性，還應(yīng)補(bǔ)充彈性模量和泊松比以及密度等屬性?？煞謩e從左上角，拖拽到“1”號(hào)材料之中，并完善數(shù)據(jù)。如圖-67所示。在設(shè)置完成后可在右下角，查看軟件自動(dòng)生成的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖。需注意右上角可分別設(shè)置1~7組，不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖-68所示。設(shè)置完成后，向上在總的材料庫(kù)“1”后方，取消選擇對(duì)號(hào)圖標(biāo)，以關(guān)閉編輯模式。此時(shí)軟件將如下圖-69所示，彈出是否保存的提示框，可單擊是。注：這是Workbench環(huán)境下，為數(shù)不多的幾個(gè)中文提示界面。當(dāng)退出編輯模式后，材料屬性將灰色顯示。以上設(shè)置僅僅是將一個(gè)新的材料，保存到材料庫(kù)中，不代表仿真分析時(shí)，可以使用和調(diào)用該材料。應(yīng)繼續(xù)如圖-70中部所示，在新建材料后方，單擊黃色十字圖標(biāo)，將其選中到分析備選的材料中。選中材料后，其黃色十字圖標(biāo)的后方，將新增一個(gè)藍(lán)色書本狀圖標(biāo)，如下圖所示。向上單擊工程數(shù)據(jù)源，回到上一級(jí)的備選材料庫(kù)中。回到如下圖的初始截面后，可見新建的材料“1”已經(jīng)被選中。本案例采用之前設(shè)置的名為“硅鋼”的材料，如下圖所示。其與上文材料“1”不同的是，單獨(dú)設(shè)置了多組不同溫度下的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，可用于后續(xù)的考慮溫度工況的案例計(jì)算。其具體設(shè)置方法與數(shù)據(jù)選用原則，在本文后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)描述。換算時(shí)，以10%延伸率對(duì)應(yīng)的515Mpa應(yīng)力為基準(zhǔn)，因ANSYS Workbench環(huán)境的工程材料庫(kù)中，自定義的雙線性材料模型的應(yīng)變橫坐標(biāo)范圍較小，不便于對(duì)上圖的全過程進(jìn)行監(jiān)控。圖-74 不同溫度應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不同溫度的原始應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)，依然來源于微信小程序“寶鋼慧選材”的硅鋼片屬性。如下圖所示。圖-75 不同溫度下屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度曲線單擊左上角回到純白色界面的項(xiàng)目目錄中，并雙擊進(jìn)入靜力學(xué)分析模塊。在ANSYS Workbench19以上版本，分析樹種新增了一個(gè)材料選項(xiàng)，其方便用戶快速查看當(dāng)前材料用于模型的那些部位。需提前在其上方一行的geometry中，借助Shift鍵選取合適的材料，并在左下角詳細(xì)信息中的材料名選中，剛剛進(jìn)入備選材料的“硅鋼”。對(duì)轉(zhuǎn)軸與硅鋼片等，分別設(shè)置默認(rèn)結(jié)構(gòu)鋼與新建的“硅鋼”后，可在材料選項(xiàng)中分別被綠色提示。如圖-76所示。下面進(jìn)入meshing模塊劃分網(wǎng)格。采用默認(rèn)的二次單元，并設(shè)置0.3mm的全局網(wǎng)格尺寸，并對(duì)隔磁橋附近，采用局部3級(jí)細(xì)化網(wǎng)格。完成后查看網(wǎng)格數(shù)量，其節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)187萬(wàn)，單元數(shù)115萬(wàn)，其計(jì)算規(guī)模相對(duì)較大，如下圖所示。分析設(shè)置部分與前文略有不同。本次采用計(jì)算量較大的24個(gè)載荷步，采用迭代求解器、開啟弱彈簧以及大變形模式。其中大變形模式，可用于計(jì)算材料非線性行為。如圖-79所示。回到靜力學(xué)模塊，在左上角載荷中的藍(lán)色慣性載荷中，選取轉(zhuǎn)速載荷，并采用列表方式設(shè)置24個(gè)載荷步的轉(zhuǎn)速。其中第0-1載荷步未設(shè)置轉(zhuǎn)速，其用于表達(dá)過盈配合的加載過程。后續(xù)從第2個(gè)載荷步開始采用不同轉(zhuǎn)速值，并間隔設(shè)置0RPM轉(zhuǎn)速方法，分別設(shè)置從13000RPM到24000RPM的荷載。其中13000RPM為在本文往期章節(jié)中，剛剛達(dá)到隔磁橋屈服應(yīng)力值的轉(zhuǎn)速荷載。而最高達(dá)24000RPM為更廣范圍內(nèi)，尋找發(fā)生斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的極限爆裂轉(zhuǎn)速值。如圖-80所示。采用大量荷載步，不惜投入較高的計(jì)算成本，設(shè)置反復(fù)從較高轉(zhuǎn)速到0再升速載荷，是為了體現(xiàn)硅鋼片“隨動(dòng)”強(qiáng)化模型中，反復(fù)加載與卸載的效果。至此，求解前與以往案例主要不同點(diǎn)介紹完成，保存項(xiàng)目文件進(jìn)行求解。由于存在非線性接觸與非線性材料，需要使用迭代計(jì)算，可在計(jì)算中查看求解信息的力收斂曲線，如下圖所示。也可以查看扭矩和位移等收斂曲線。下圖顯示，經(jīng)過了303個(gè)荷載子步的迭代后，完成了計(jì)算。其總體計(jì)算進(jìn)程十分穩(wěn)健。印象中是ANSYS Workbench 19以上版本，可通過一個(gè)全新截面，如下圖所示處，查看求解信息。對(duì)于本案例借助志強(qiáng)8272處理器的25/26個(gè)核心并行，總求解時(shí)間為3小時(shí)40分鐘。求解完成后提取總體變形結(jié)果，如下圖所示。并放大30倍變形比例顯示。在最高轉(zhuǎn)速24000RPM，即第24荷載步時(shí)，最大變形0.05mm。根據(jù)以往本文更早章節(jié)的結(jié)果，該轉(zhuǎn)子沖片最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，變?yōu)榧s相當(dāng)本案例第8載荷載荷步的16000RPM的應(yīng)力結(jié)果，如下圖所示。圖-85 最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下圖中對(duì)徑向隔磁橋，最大應(yīng)力點(diǎn)附近的局部放大效果。其位于隔磁橋倒角的根部。由于計(jì)算轉(zhuǎn)子爆裂工況下，隔磁橋等關(guān)鍵應(yīng)力位置，將進(jìn)入屈服階段，則單純查看應(yīng)力結(jié)果的價(jià)值相對(duì)較低，可以考慮查看塑性應(yīng)變結(jié)果，以判進(jìn)入塑性區(qū)域的范圍和深度等，如下圖所示。經(jīng)過不同轉(zhuǎn)速載荷的加載，發(fā)現(xiàn)接近24000RPM轉(zhuǎn)速時(shí)，隔磁橋根部塑性應(yīng)變范圍，逐步擴(kuò)展的越來越寬厚。下圖為第22載荷步，對(duì)應(yīng)的23000RPM塑性應(yīng)變結(jié)果。圖-88 23000RPM轉(zhuǎn)速塑性應(yīng)變結(jié)果在該結(jié)果中，設(shè)定2‰塑性應(yīng)變的紅色范圍，只占隔磁橋?qū)挾鹊臉O小范圍比例，以至于在圖中較難察覺。下圖為轉(zhuǎn)速更增加1000RPM的24000RPM時(shí)，其2‰塑性應(yīng)變區(qū)域，幾乎占滿徑向隔磁橋的整個(gè)寬度，說明當(dāng)前轉(zhuǎn)速下，大部分隔磁橋?qū)⑦M(jìn)入塑性區(qū)域，擁有較大的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。但這不代表該轉(zhuǎn)速（24000RPM）一定是會(huì)發(fā)生爆裂失效工況，僅代表風(fēng)險(xiǎn)較高。該轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到16000RPM最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的1.5倍，遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)中1.2倍的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)需求。其說明當(dāng)前設(shè)計(jì)的強(qiáng)度安全余量較大，或者暗示可以在最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下，采用更為激進(jìn)的強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，以充分挖掘硅鋼片材料的低周疲勞性能。然而具體爆裂轉(zhuǎn)速發(fā)生時(shí)的強(qiáng)度評(píng)定指標(biāo)，建議以多次進(jìn)行高速試驗(yàn)為準(zhǔn)，再將仿真設(shè)置進(jìn)行對(duì)標(biāo)和驗(yàn)證。圖-89 24000RPM轉(zhuǎn)速塑性應(yīng)變結(jié)果相反的，在圖-85的16000RPM下的塑性應(yīng)變是多少呢？如下圖所示為0。圖-90 最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的塑性應(yīng)變以上為單獨(dú)查看應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果，不便于多轉(zhuǎn)速結(jié)果間的互相比較。下圖為采用4分屏顯示功能，一次顯示4種不同界面/計(jì)算結(jié)果的畫面方法。下圖以順時(shí)針方向，分別展示了21000RPM、22000RPM、23000RPM、24000RPM轉(zhuǎn)速的塑性應(yīng)變結(jié)果。其可更方便的對(duì)比，應(yīng)變與轉(zhuǎn)速的演進(jìn)關(guān)系。圖-92 不同轉(zhuǎn)速的塑性應(yīng)變結(jié)果經(jīng)仿真分析，本硅鋼片在最大過盈量下的爆裂轉(zhuǎn)速，不低于24000RPM。五 總結(jié)
本文介紹了新能源汽車電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的一些特殊轉(zhuǎn)速工況和功能安全假設(shè)，并介紹了一些飛機(jī)舷窗結(jié)構(gòu)中，降低應(yīng)力的結(jié)構(gòu)與思路，以及通過工程師之戒，又分享了一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)歷史上的悲慘事故，以警醒廣大強(qiáng)度性能開發(fā)工程師，對(duì)專業(yè)與責(zé)任保持足夠的敬畏心。繼續(xù)介紹了金屬的塑性性能與斷裂及斷口分析技術(shù)。借此機(jī)會(huì)，在轉(zhuǎn)子真正發(fā)生掃膛等極端事故時(shí)，為排查和定位失效原因與機(jī)理提供一些參考和建議等。一如既往的，本文最后采用ANSYS仿真軟件，詳細(xì)介紹了有關(guān)爆裂轉(zhuǎn)速仿真，所需的設(shè)置計(jì)算與結(jié)果評(píng)定的方法等。本節(jié)的行文風(fēng)格與內(nèi)容分配，相對(duì)本套高速電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)專題系列的其他文章，有所改變和不同。借此筆者希望通過嘗試一些不一樣的視角，分享和介紹部分強(qiáng)度性能開發(fā)過程中的方法、經(jīng)驗(yàn)、技巧與思路等，希望對(duì)大家有所幫助。
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
