基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法与流程

基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法
技术领域
1.本公开一般涉及机电仿真与多应力耦合仿真技术领域，具体涉及一种基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法。


背景技术：

2.超声电机具有定位和速度控制精度高、结构设计灵活，易实现装置的小型化和轻量化，不受也不会产生电磁干扰等优点，广泛用于精密驱动等相关领域，随着技术的成熟，超声电机也非常适用于各类武器装备和航天器的驱动器与私服系统中。美国“机遇号”和“好奇号”火星车，我国某型号制导弹药、嫦娥5号、张衡一号探测器均应用了超声电机，但是其核心部件与关键工艺均为进口引进，在核心工业国产化替代的迫切需求形势下，我们还有许多技术需要研究和突破。与民用超声电机不同，应用在导弹或航天器上的超声电机会随着飞行器一起经历恶劣的综合发射环境，甚至需要在一些综合飞行环境中工作，此时，超声电机出现各类工作性能超差或故障失效的概率将明显增大，为了保障超声电机在武器与航天器上高可靠使用，研究发射阶段恶劣的综合环境对超声电机工作特性的影响具有重要意义。
3.关于环境对超声电机的影响，在国外，许多研究者率先开展了电机在非常态和真空环境、尤其是超高低温下的工作性能研究以及相关的探索性工作，但基本只有试验结论的报道，许多关键数据并未公开。在国内，一些在超声电机研制方面有一定技术积累和经验的研究所和高校，其研究一方面偏重于民用领域，一方面集中在高低温等单环境应力下的，因此关于特殊综合环境对超声电机工作性能的影响未见有相关文献报道。研究综合环境可靠性可通过试验手段、分析实际任务数据开展，但是一方面综合环境试验往往会受现有试验设备能力限制，另一方面超声电机在武器、航天器上应用的数据还非常少或者不适用，由此，本文利用仿真软件开展以温度、随机振动、离心三综合为典型发射环境的可靠性仿真，获得经过单应力试验修正与验证的综合环境可靠性仿真模型，研究综合环境对超声电机工作输出特性影响，将是一个有前景的技术解决途径。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法以解决上述问题。
5.本技术提供一种基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，包括以下步骤：
6.s100、基于ansys建立电机定子组件和转子组件的几何模型；
7.s200、基于ansys确定所述定子组件和转子组件的材料并分别对定子组件和转子组件进行网格划分，加载设置压电陶瓷压电属性并施加约束边界，获得电机机电模型；
8.s300、基于ansys通过所述电机机电模型获取电机的温度场、随机振动场以及离心力场，所述温度场用于表征电机的温度应力分布，所述随机振动场用于表征所述电机的随
机振动分布，所述离心力场用于表征电机的离心应力分布；
9.s400、基于ansys选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场和离心力场，将三个所述数据模块分别添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，得到综合环境下的电机机电模型；
10.s500、基于ansys在所述综合环境下的电机机电模型插入频响曲线功能以获得电机的工作频率和工作振幅、插入阻抗曲线功能以获得电压组件阻抗、插入结点力功能以获得堵转力矩。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，获取所述温度场的方法为：
12.基于所述电机机电模型，计算电机工作状态下的热损耗；
13.根据所述热损耗获得电机每个位置的热载荷，将热载荷施加到稳态热分析模块中；
14.在所述稳态热分析模块中设置热边界；
15.求解所述稳态热分析模块并将结果添加至静力分析模块，在所述静力分析模块中施加预紧力并求解得到所述温度场。
16.根据本技术实施例提供的技术方案，计算所述热损耗的公式如下：
[0017][0018]
ty＝fn·
μ，
[0019]
其中，u为电机输入电压，i为电机输入电流，n为电机转速，t2为输出力矩、ty为预紧力力矩，fn为施加的预紧力，μ为定子齿面与转子的摩擦系数，pr为压电陶瓷的结构内损耗和介点损耗，pf为定子和转子接触面的摩擦损耗，ps为定子振动引起的结构内损耗。
[0020]
根据本技术实施例提供的技术方案，施加所述热载荷的方法为：
[0021]
在所述稳态分析模块中，将pf作为荷载施加在摩擦材料表面，将pr以第一生热率qr荷载形式添加到整个压电陶瓷体内，将pr以第二生热率qs荷载形式添加到定子整体中，所述第一生热率qr的计算公式如下：
[0022][0023]
其中，vr为压电陶瓷体积；
[0024]
所述第二生热率qs的计算公式如下：
[0025][0026]
其中，vs定子体积。
[0027]
根据本技术实施例提供的技术方案，获取所述随机振动场的方法为：
[0028]
基于所述电机机电模型，在静力分析模块中施加预紧力，求解所述静力分析模块得到由所述预紧力引起的第一预应力场；
[0029]
将所述第一预应力场添加至模态分析模块，求解所述模态分析模块；
[0030]
将所述模态分析的结果添加至随机振动分析模块，并向所述随机振动分析模块添加电机实际工作时的振动条件，求解所述随机振动分析模块获得所述随机振动场。
[0031]
根据本技术实施例提供的技术方案，获取所述离心力场的方法为：
[0032]
基于所述电机机电模型，在静力分析模块中添加电机实际工作时的离心力，求解所述静力分析模块获得所述离心力场。
[0033]
根据本技术实施例提供的技术方案，步骤s500包括：
[0034]
基于所述综合环境下的电机机电模型，分别在谐响应分析模块插入ansys的频响曲线功能至某一定子齿面以获得综合环境下电机的工作频率和工作振幅、插入ansys的阻抗曲线功能至压电陶瓷以获得电机的电压组件阻抗、插入ansys的结点力功能至某定子齿面与转子的接触对以获得电机的堵转力矩。
[0035]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述堵转力矩t的计算公式如下：
[0036]
t＝krμf
max
，
[0037]
其中，k为工作波数，r为转子半径，f
max
为目标定子齿面最大的法向接触力。
[0038]
与现有技术相比，本技术的有益效果在于：通过设置所述电机机电模型，并分别对所述电机机电模型进行温度参数设置、随机振动参数设置和离心力参数设置，分别仿真得到电机温度场、随机振动场和离心应力场，选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场、离心力场并将所述数据模块添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，相当于对于所述电机机电模型加入三个可以影响模型输出的不同环境下的限制条件，使得模型可以载更多环境因素影响下获得输出特性；在所述综合环境下的电机机电模型中插入频响曲线功能可以获得电机实际工作下的工作频率和工作振幅，通过插入阻抗曲线功能可以获得电机实际工作下的电压组件阻抗，通过插入所述结点力功能可以获得电机实际工作下的堵转力矩，通过插入三个功能使得综合环境下的电机机电模型具有更全面的输出特性。
附图说明
[0039]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040]
图1本技术提供的基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法的步骤流程图：
[0041]
图2为本技术中定子组件和转子组件的几何模型；
[0042]
图3为图2所示的定子组件和转子组件几何模型的爆炸图；
[0043]
图4本技术中压电陶瓷的分区示意图。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0045]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0046]
请参考图1，本技术提供一种基于ansys的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，包括以下步骤：
[0047]
s100、基于ansys建立电机定子组件和转子组件的几何模型；
[0048]
s200、基于ansys确定所述定子组件和转子组件的材料并分别对定子组件和转子
组件进行网格划分，加载设置压电陶瓷压电属性并施加约束边界，获得电机机电模型；
[0049]
s300、基于ansys通过电机机电模型获取电机的温度场、随机振动场以及离心力场，所述温度场用于表征电机的温度应力分布，所述随机振动场用于表征所述电机的随机振动分布，所述离心力场用于表征电机的离心应力分布；
[0050]
s400、基于ansys选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场和离心力场，将三个所述数据模块分别添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，得到综合环境下的电机机电模型；
[0051]
s500、基于ansys在所述综合环境下的电机机电模型插入频响曲线功能以获得电机的工作频率和工作振幅、插入阻抗曲线功能以获得电压组件阻抗、插入结点力功能以获得堵转力矩。
[0052]
具体的，步骤s100具体为：在geometry功能模块内，建立电机外壳以及外壳内部的定子组件和转子组件，并根据实际装配方式进行组装，如图2和图3所示，定子组件包括弹性垫和压电陶瓷，转子组件包括转子圆盘、摩擦材料，弹性垫的齿与摩擦材料接触；
[0053]
步骤s200具体为：在ansys的engineering data功能模块内添加所述几何模型需要使用的材料及材料属性，对于要开展热、力分析的模型来说，材料属性应包括密度、弹性模量、泊松比、导热系数、热膨胀系数，材料属性表如表1、表2所示：
[0054][0055]
表1几何模型材料属性表
[0056][0057]
表2压电陶瓷各向异性弹性常数
[0058]
在model功能模块内加载所述几何模型各零件的材料属性及压电陶瓷压电属性，按照表3设置压电常数，
[0059][0060]
表3压电陶瓷压电参数
[0061]
如图4所示，分别表示压电陶瓷a、b两区z向正负两极化区域，将压电陶瓷的正向极化区和负向极化区设置为相反方向；
[0062]
对所述定子组件、转子组件完成网格剖分，按照定子的实际安装方式设置约束边界，完成所述电机机电模型，用于对电机实际情况下的工作特性进行输出。
[0063]
步骤s300具体为，在ansys中基于所述电机机电模型设置温度参数、随机振动参数
以及离心力参数，通过所述电机机电模型输出电机实际工作时的温度场、随机振动场以及离心力场，所述温度场包括用于表征电机工作时温度分布情况的坐标数据以及用于表征每个坐标位置温度的应力数据，所述随机振动场包括用于表征电机工作时振动分布情况的坐标数据以及用于表征每个坐标位置振动的应力数据，所述离心力场包括用于表征电机工作时离心力分布情况的坐标数据以及用于表征每个坐标位置离心力的应力数据。
[0064]
步骤s400具体为：将温度场、随机振动场和离心力场以excel文档形式输出，基于ansys选取三个数据模块external data分别读取三个excel文档，在三个所述数据模块内分别识别所述温度场、随机振动场、离心力场的所述坐标数据和应力数据，将三个所述数据模块添加至所述所述电机机电模型的静力分析模块，将所述静力分析模块中利用ansys自身的功能加载更新实现所述温度场、随机振动场和离心力场的线性叠加，使得温度、随机振动、和离心力可作为所述电机机电模型的三个不同的补充输入参数，获得综合环境下的电机机电模型；通过设置三个不同的参数使得所述电机机电模型的输入参数更接近实际使用场景，进而使得输入部分的设定条件更为具体，保证输出特性更使用时电机实际使用环境。
[0065]
步骤s500具体为：在所述综合环境下的电机机电模型中，在静力分析模块添加电机实际工作环境下的预紧力，求解静力分析模块获得由该预紧力引起的第二预应力场，将所述第二预应力场添加至模态分析模块，求解所述模态分析模块得到与电机实际工作时对应的模态振型，将所述模态振型添加至谐响应分析模块，在所述谐响应分析模块插入频响曲线功能至某一定子齿面，在频响曲线中，找到与所述模态振型频率相同的第一谐振频率点，第一谐振频率点为该频响曲线的一个波峰，所述第一谐振频率点的频率即为电机的工作频率，对应的是所述第一谐振频率点在频响曲线中的横坐标，此时第一谐振频率点的纵坐标即为电机实际工作时的振幅；在所述谐响应分析模块插入阻抗曲线功能至压电陶瓷，在阻抗曲线中，找到与所述工作频率频率相同的第二谐振频率点，第二谐振频率点为阻抗曲线中的一个波谷，所述第二谐振频率点对应的阻抗即为电压组件阻抗；在所述谐响应分析模块插入结点力功能至某定子齿面与转子的接触对，在所述工作频率下，查看法相接触力结果，调整相位角，使目标齿面在波峰位置，此时法相接触力最大，根据如下公式计算堵转力矩t：
[0066]
t＝krμf
max
，
[0067]
其中，k为工作波数，r为转子半径，f
max
为目标定子齿面最大的法向接触力；至此得到综合环境下电机的完整输出特性。
[0068]
工作原理：通过设置所述电机机电模型，并分别对所述电机机电模型进行温度参数设置、随机振动参数设置和离心力参数设置，分别仿真得到电机温度场、随机振动场和离心应力场，选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场、离心力场并将所述数据模块添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，相当于对于所述电机机电模型加入三个可以影响模型输出的不同环境下的限制条件，使得模型可以载更多环境因素影响下获得输出特性；在所述综合环境下的电机机电模型中插入频响曲线功能可以获得电机实际工作下的工作频率和工作振幅，通过插入阻抗曲线功能可以获得电机实际工作下的电压组件阻抗，通过插入所述结点力功能可以获得电机实际工作下的堵转力矩，通过插入三个功能使得综合环境下的电机机电模型具有更全面的输出特性。
[0069]
进一步地，获取所述温度场的方法为：
[0070]
基于电机机电模型条件下，计算电机工作状态下的热损耗，具体的，所述热损耗包括压电陶瓷的结构内损耗和介点损耗pr，定子和转子接触面的摩擦损耗pf，定子振动引起的结构内损耗ps，通过如下公式计算热损耗：
[0071][0072]
ty＝fn·
μ，
[0073]
其中，u为电机输入电压，i为电机输入电流，n为电机转速，t2为输出力矩、ty为预紧力力矩，fn为施加的预紧力，μ为定子齿面与转子的摩擦系数；
[0074]
在所述电机机电模型的模态热分析模块中，将所述pf直接作为定子和转子接触面的摩擦损耗的载荷施加到摩擦材料表面，将pr以第一生热率qr荷载形式添加到整个压电陶瓷体内，将pr以第二生热率qs荷载形式添加到定子整体中，通过如下公式计算第一生热率qr：
[0075]
其中，vr为压电陶瓷体积；
[0076]
通过如下公式计算第二生热率qs：
[0077]
其中，vs定子体积；
[0078]
完成热边界设置并求解所述稳态热分析模块，将求解结果添加至所述电机机电模型的静力分析模块，在所述静力分析模块中施加电机实际工作时的预紧力，求解所述静力分析模块得到所述温度场。
[0079]
进一步地，通过温度循环试验修正所述稳态热分析模块，具体方法为：
[0080]
在温度循环箱内，对电机开展温度循环试验，试验箱内环境温度根据电机的实际工作温度条件设置，试验中电机通电工作，温度稳定后，获取电机壳体的第一温度、壳体内部环境的第二温度、定子侧面表面随机选取的三测试点的平均温度，将所述第一温度、第二温度、平均温度用于所述稳态热分析模块的修正。
[0081]
进一步地，获取所述随机振动场的方法为：
[0082]
基于电机机电模型条件下，在电机机电模型的静力分析模块中施加电机实际工作时的预紧力，求解所述静力分析模块，得到由所述预紧力引起的第一预应力场，将所述第一预应力场添加至电机机电模型的模态分析模块，求解所述模态分析模块，将所述模态分析模块的结果添加至电机机电模型的随机振动分析模块，并向所述随机振动分析模块加入电机实际工作时的振动条件，求解所述随机振动分析模块获得所述随机振动场。
[0083]
进一步地，获取所述离心力场的方法为：
[0084]
基于电机机电模型条件下，在电机机电模型的静力分析模块中添加电机实际工作时的离心力，求解所述静力分析模块获得所述离心力场。
[0085]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。