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基于HyperStudy的某BLDC电机轴系优化分析

2014/8/17    来源:Altair    作者:金培  赵守振  李忠华      
关键字:HyperStudy  DOE  优化分析  
本文采用Altair HyperMesh与HyperStudy,基于HyperMesh电机轴系有限元模型进行了模态分析、实验设计(DOE)和尺寸优化(Optimization)分析。借助HyperMorph,将轴系设计段的尺寸、直径和位置设置为设计变量,对在满足轴系扭转模态频率的约束下,使得结构质量最小化的问题,求得三个变量的敏感度以及最优解,在DOE分析中,发现削轴的位置对轴系质量和扭转模态频率几乎没有影响,但削轴的长度和半径影响较大,最后在Optimization模块中,采用自适应响应面法对轴系扭转模态进行了优化。

1 概述

    在产品设计过程中,往往需要在满足约束条件下,找到最优的解,该最优解可以是最小质量从而降低成本和载荷,或者是最大刚度以减小结构的变形,或者是最大表面积从而提高结构的散热能力等。参数化建模是一种较为常用的优化分析方法,通过对一些变量的参数进行改变,研究该变量对整个模型的敏感度以及最佳取值,最终得到优化问题最优解。在实际问题中,通常一个结构需要同时改变多个参数,因此如何选取较少的有效参数,通过较少的迭代次数来得到最优解,是结构优化的一个难点。

    BLDC电机在家用电器中应用广泛,BLDC电机轴系的设计对家用电器的使用性能、噪音水准及用户体感及经济性等方便有诸多影响。本文优化对象在优化前轴系在电机励磁激励下发生噪音不良,存在影响电机寿命的隐患。为改善电机轴系噪音不良,对电机轴系进行削轴变更,将轴系扭转峰与激励错开,以改善电机轴系噪音。削轴后轴系扭转刚度降低,扭转频率必然发生一定程度的下降,故轴系优化问题转化为在轴系扭转满足扭转频率约束的减重问题。

 图1 优化前电机轴系频率响应实验结果(轴系扭转频率:282Hz)

图1 优化前电机轴系频率响应实验结果(轴系扭转频率:282Hz)

    Altair HyperStudy是用来处理产品设计过程中优化设计的一种有效工具,通过HyperMesh创建几何模型,设定设计变量,并将模型导入到HyperStudy中,利用其DOE(实验设计)模块和Optimization(优化)模块分别挑选出重要的形状变量和得到最终的优化解。HyperStudy融入了当今较为成熟的各项DOE和Optimization算法,给用户提供了丰富的选择,可以显著加速产品的设计开发过程,并降低成本。

2 有限元模型

2.1模型概述

    电机轴系几何模型如图2所示,对模型的约束施加在电机轴的轴承处,约束了三个方向的平动和两个方向的转动,放开轴系旋转约束。为了降低电机轴系整体质量,需要对电机轴系进行进一步的优化减重。从电机轴模型中选取了三个设计变量,通过改变这三个变量的尺寸,在满足固有频率的约束下,尽可能减少电机轴系的质量。

 图2 电机轴系FEM模型

图2 电机轴系FEM模型

2.2OptiStruct固有频率分析

    对模型采用OptiStruct进行模态分析,得到第六阶模态为轴的扭转模态,由于电机轴在工作过程中处于转动状态用以传递扭矩,该模态的频率对于电机轴的品质具有较大的影响。电机轴系削轴原始模式中计算得到的如图3所示,固有频率为252.8Hz。实际工作中要求固有频率不得小于230Hz,在此约束条件下对模型进行进一步的尺寸优化。

 表1 部件材料参数表

表1 部件材料参数表

 图3 第六阶固有频率:扭转模态

图3 第六阶固有频率:扭转模态

责任编辑:吴星星
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