ANSYS的定子车夹具的优化设计

本文介绍了如何利用大型通用有限元分析软件ANSYS对某型号电机定子车夹具进行了优化设计，确定了最优的工装尺寸，大幅提高了产品的性能。

　　1 前言

　　优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量，面积，体积，应力，费用等)最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。

　　设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸(如厚度)，形状(如过渡圆角的大小)，支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。

　　Yj82定子车夹具的优化设计主要是尺寸形状方面进行优化，通过变化如图1所示吊架的两个圆角和板的宽度，在满足应力在规定范围内和材料质量基本不变的情况下，其垂向位移最小，即工装的整体刚度性能提高。

图1 夹具三维模型图

　　2 计算

　　2.1 初始计算

　　根据初始设计模型建立有限元模型如图2所示，其初始尺寸为板宽B1和B2相等都为100，内圆角R1为60，外圆角R2为120。约束吊环部位进行计算，则初始设计最大等效应力如图3所示为：116MPa，部位在吊架内侧圆角处，最大垂向位移如图4为4.54mm。其需要优化部分(吊架)的重量为0.028吨。

图2 夹具有限元模型图

　　2.2 优化设计

　　板宽B1和B2的设计范围为60～100mm，过渡圆角的设计范围为40～350mm，最大等效应力小于屈服极限235MPa，优化部分的最大重量不超过0.028吨。

　　利用一阶方法进行优化，最大迭代次数为45次。

　　2.3 优化结果分析

　　经过优化计算，最终有十组结果方案如表1所示，供设计选择，表中SIG为最大等效应力，DU为最大垂向位移，WT为优化部分(吊架)的质量。并推荐最优方案为第8组，其最终优化结果如图5、6所示，最大等效应力为114MPa，最大垂向位移为2.5mm。其优化过程中垂向位移的变化如图7所示。

表1 优化结果方案列表

图5最终优化结果等效应力云图

 图6最终优化结果垂向位移云图

图7优化过程中垂向位移变化曲线图 图8优化过程中板宽的变化图

　　同时，根据图8优化过程中板宽的变化曲线我们可以看出，在设计时吊挂横板宽度小于立板的宽度有利于在满足性能的情况下减重，结合图7和图9我们可以看出在优化过程中增加下边圆角有利于提高整体工装的刚度性能，从图10中我们还可以看出在优化过程中最大等效应力远低于其屈服极限。

图9优化过程中过渡圆角变化曲线图 图10优化过程中最大等效应力的变化图

　　3 结论

　　通过优化分析，确定了最终设计方案，其垂向位移由原来的5.54mm降为2.5mm，在整体重量基本保持不变的情况下其刚度性能提高了一倍。

　　通过优化分析计算直观的了解了各形状尺寸的变化对设计性能的影响，为工装设计提供理论知道。