转叶马达有限元分析报告.docx
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转叶马达有限元分析报告
大连兴达船用液压系统设备有限公司
目 录
1系统工况和结构特点分析 1
1.1结构特点分析 1
1.2工况分析和分类 1
2软件和分析方法说明 2
2.1软件版本简介 2
2.2单元类型的选择和说明 2
2.3材料的物理特性 5
2.4等效应力计算方法 5
2.5单位制的选择 6
3模型简化说明 7
3.1薄弱环节分析 7
3.2连接部位和方法分析 7
4最恶劣工况分析 8
4.1定子部件 8
4.1.1壳体模型说明 8
4.1.2壳体结构载荷说明 9
4.1.3壳体网格剖分说明 10
4.1.4壳体应力分析结果 11
4.1.5壳体位移分析结果 12
4.2转子部件 13
4.2.1转子模型说明 13
4.2.2转子结构载荷说明 14
4.2.3转子应力分析结果 15
4.2.4转子位移分析结果 16
4.3端盖部件 18
4.3.1端盖模型说明 18
4.3.2端盖结构载荷说明 18
4.3.3端盖应力分析结果 19
4.3.4端盖位移分析结果 20
5结果分析 20
5.1误差估计 20
5.2极限承载能力分析 21
1系统工况和结构特点分析
1.1结构特点分析
转叶马达主要由三个结构件和两个滑动轴承构成，其他构件承受的载荷均可以忽略，及不影响系统的可靠性。
转叶马达影响系统可靠性的原因主要可能有两条：
结构失效和密封失效。
针对这两点需要进行结构分析。
由于马达设计中已经充分考虑密封问题，所以对结构的变形要求十分宽松，在这里分析得到的结果从另一方面证明系统的可靠性。
由于马达壳体为杯形，所以刚度比较高，但是不利的因素是结构制造必须采用铸造的方法，所以材料的选择受到了一定的影响。
虽然如此，用很少的构件来组成转叶马达，对可靠性的提高还是十分有利的。
本报告对三个结构件进行了静态位移和应力分析。
在分析中对结构作了适当的简化，这些简化主要是连接部位的一些孔特征，而在这些地方均采用螺钉连接，并且不是承受载荷较大的部位，所以对精度的影响较小。
1.2工况分析和分类
转叶马达为摆动式工作方式，摆动工作范围为0～150度。
马达转子的两个叶片将油腔分为四部分，分别为两个高压腔和两个低压腔。
两个高压腔相互之间是连通的，两个低压腔之间也是连通的，这样就保证了马达工作时，基本没有合成的对轴承的径向载荷，这一点也是分析时不用考虑非油压作用构件的主要原因。
在分析中，假定低压腔回油通畅，及低压腔的压力与环境压力相同，所以计算时不要要考虑载荷。
高压腔的最大正常工作压力为5.12MPa，最高工作压力为10MPa，分析中按照最高压力考虑。
按照以往设计和分析的经验，角度对定子和转子的位移和应力影响分为两个方面，当压力包角90度时，此时定子和转子刚度不足的情况下，结构形状变化较大，当包角增大时，由于转子的刚度高，包角对定子基本没有影响；对定
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子来说，结构变形的椭圆度降低，而径向位移加大。
所以分析两种极限工况，就可以确定结构的可靠性。
以下对于转子分析了两种工况90度和135度。
对定子分析90度和150度两种工况。
2软件和分析方法说明
2.1软件版本简介
在软件选择上，由于我们从1996年起成为ANSYS的用户，并且从那时
ANSYS软件在分析能力上也取得了非常大的进展。
现在ANSYS软件已经应用到几乎连续介质力学所能涉及的所有领域。
在这里我们使用的软件版本号为7.11C；实体构造采用另外的CAD软件进行。
本次分析所用到的是基本的线性分析，所以没有计算不收敛的问题，主要取决于模型划分的合理性。
2.2单元类型的选择和说明
由于结构采用六面体单元划分比较困难，而四面体十节点单元已经能够满足分析精度要求，所以选择了三维10节点四面体单元
单元描述：
三维10节点四面体单元可用来描述二次变形，适用于对不规则几何实体
（如在各种CAD/CAM系统中生成的几何实体）的网格划分。
此单元由10个节点组成，在每个节点上有3个自由度：
分别为在x,y,z方向上的位移。
该单元可用于计算蠕变、膨胀、应力硬化、大挠度及大应变的情况。
以下内容来源于ANSYS用户手册。
三维10节点四面体单元的几何形状：
矩阵或向量
形状函数
积分点
硬度、质量和应力刚度矩阵；及热载荷向量
公式1
4
压力载荷向量
公式与某一个面对应
6
载荷类型
分布状态
单元温度
与形状函数一样
节点温度
与形状函数一样
压力
在作用面上是线性的
公式：
1
N1=L1（2L1-1）
N2=4L1L2
N3=L2（2L2-1）
N4=4L2L3
N5=L3（2L3-1）
（Li为体积坐标）
N6=4L3L1N7=4L1L4N8=4L2L4N9=4L3L4
N10=L4（2L4-1）
（以下内容来源于有限元方面的著作）单元应力计算方法如下
{s}=[D]{e}
其中弹性矩阵
é1
ê
ê
A1 A1 0 0 0ù
0
ú
1 A1 0 0 ú
（1+m ê对）（1-3m）
[D]=E（1-m） ê
ê
ê
ê
ê
ë
1 0 0
A2 0
A2
称
0ú
0
ú
ú
0ú
ú
A2úû
A1=
其中
m
1-m
A2=
1-2m
2（1-m）
而应变
{e}=[B]{d}（e）
式中单位应变矩阵[B]
[B]=[B1B2B3LB10]
单元结点位移
{d}（e）=[uvwuvwLuvw]T
111222 101010
其中
é¶Ni ù
ê
ê¶x 0 0ú
¶N ú
ê0 i 0ú
ê ¶y ú
ú
ê0 0 ¶Niú
ê
i ¶N
[B]=ê
êi
ê¶y
¶Ni
¶x
¶zú
0ú
ú
ê
ê0 ¶Ni
¶Niú
ê ¶z
ú
¶yú
ê¶Ni
êë¶z
¶Niú
0 ¶xúû
本单元没有其他特别需要说明的地方。
2.3材料的物理特性
在结构中没有非线性材料，对于静力分析，只需要用到材料的弹性模量和泊松比。
涉及到的材料有两种：
球墨铸铁和碳素结构钢。
球墨铸铁的物理性能如下：
弹性模量173GPa；
泊松比0.24；
屈服强度320MPa；抗拉强度500MPa。
在计算中用到了舵杆作为承力部件，假定材料为碳素结构钢，其物理性能为：
弹性模量208GPa；泊松比0.29。
由于假定舵杆工作在线弹性范围内，所以没有给出其他参数。
2.4等效应力计算方法
对于塑性材料，有两种强度理论用于校核结构的强度：
第三强度理论和第四强度理论，分别可理解为最大剪切应力理论和最大剪切应变能理论。
第三强度理论计算时仅仅考虑三向主应力下的最大和最小应力，计算简单，第四强度理论即Von Mises应力，考虑了三个主应力，现在国际上和工程中主要采用的强度校核方法，所以在本报告中，采用VonMises应力来评价结构的强度。
VonMises 应力一般用于分析材料是否达到屈服极限的一种评价方法，这里给出其计算说明。
有限元分析中的计算结果提供了各种情况下的6个应力分量，由6个应力分量计算等效应力的方法如下：
由弹性力学可知，空间一点处的应力可由以下应力张量表示：
x
æs
ç
sij=çtyx
çt
tyx
sy
t
txzö
t
÷
yz÷
o÷
èzx x zø
根据切应力互等原理，实际上独立的切应力只有三个，从而独立的应力分量为6个，即，3个正应力sxsysz和3个切应力txytyztxz。
本计算结果分别
输出了每一种载荷和材料情况下的6个应力分量的应力云图，便于以后分析时使用。
得到6个应力分量后，可以转化成3个主应力，方法如下：
求解3次方程
s3-Is2I+s1-I=0
n 1 n2 n 3
其中
I1=sx+sy+sz
I=ss+ss+ss-t2-t2-t2
2 x y x z y z xy yz xz
sx txy txz
I3=txy
txz
sy
tyz
tyz
sz
该3次方程具有3个实根，即为3个主应力，从大到小记为s1，s2，s3。
进行应力校核时可以选用的是vonMises应力，单位为MPa。
vonMises应力,也称为等效应力，能够把任意应力状态换算成一个正的应力值，其计算方法为：
o=（1´[（s-s）2+（s-s）2+（s-s）2]）1/2
e 2 1 2
2 3 3 1
s1，s2，s3为三个主应力。
2.5单位制的选择
主系统'毫米牛顿秒（mmNs）'的单位信息
基本单位:
长度质量
mmtonne
力
N
时间
sec
重力
9806.65 mm/sec^2
衍生单位:
面积 mm^2
体积 mm^3
密度 tonne/mm^3
转矩/力矩 mmN
应力 N/mm^2
杨氏模量 N/mm^2
能量 mmN
3模型简化说明
3.1薄弱环节分析
对于马达的转子部分，由于采用了特殊的工艺，转子的叶片和转轴是一体化的，强度和刚度都十分高，该工艺多次应用于航天航空领域的地面测试设备。
马达轴模型单独计算时，如果约束与舵杆连接的胀套部位，则会使得结构的刚度提高，所以计算时将舵杆一并考虑，但是在结果图中，略去了舵杆和胀套部分。
结构的薄弱环节为马达的壳体，主要会产生一定的变形，有可能影响系统的正常工作。
本分析从最恶劣的情况考虑，假定端盖对系统刚度的贡献很小，这样，在与端盖连接的部位假定取法向约束，而不考虑端盖的刚度。
这样如果结构能够满足系统要求，则加上端盖后，结构的可靠性将大大提高。
3.2连接部位和方法分析
马达与外界的连接采用螺钉和止口定位，所以外界对马达的刚度提高具有一定的贡献，在计算时，为了降低可能出现的约束刚度过高问题，采用马达外壳体的裙边约束。
壳体与端盖之间的约束理解为仅仅具有相同的径向位移。
这样的考虑对两者都是最恶劣的工况。
4最恶劣工况分析
4.1定子部件
4.1.1壳体模型说明
外壳体结构的几何模型如下：
图4.1.1-1外科体几何尺寸
图4.1.1-2外壳体几何形状（正面）
图4.1.1-3外壳体几何形状（背面）
4.1.2壳体结构载荷说明
外壳体载荷为10MPa。
分布为90度和150度两种工况。
图4.1.2-1为90度分布。
图4.1.2-2为150
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