基于有限元方法的干擾磁場框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究*

湯元會(huì) 施樂平 王曉國 劉 瑩 牟仲稀 何浩源

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，西安 710065；2.西安交通大學(xué)，西安 710049)

0 引言

在對電子產(chǎn)品或儀器做型式試驗(yàn)時(shí)，需要做抗磁場干擾試驗(yàn)。干擾磁場一般是在直徑1m的圓形或方形框架上纏繞銅漆包線，通以50Hz工頻交流電后產(chǎn)生400A/m強(qiáng)度的干擾磁場，將被測設(shè)備置于干擾磁場中，觀察設(shè)備的功能是否正常，準(zhǔn)確度、分辨力等技術(shù)指標(biāo)是否有下降。

為了觀察被測電子設(shè)備對來自不同方向干擾磁場的影響，我們設(shè)計(jì)了可轉(zhuǎn)動(dòng)式的fansilo線圈框架。由于框架不是靜止的單一角度，是可轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此，需要考慮在不同角度時(shí)框架的幾何形變，并做強(qiáng)度驗(yàn)證。文中主要介紹用Solidworks對設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行三維建模過程，并運(yùn)用Ansys分析軟件進(jìn)行仿真分析。

1 有限元方法及分析軟件

有限元技術(shù)的廣泛應(yīng)用主要得益于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，其基本原理是將復(fù)雜問題離散為若干個(gè)稱為有限元的小的互連子域，并對每個(gè)單元進(jìn)行定義、分析，求其近似解，然后合成，得到復(fù)雜問題的近似解。當(dāng)被求解單元足夠小、各種條件都考慮到時(shí)，近似解就與實(shí)際情況高度吻合。

本文采用的ANSYS Workbench軟件是ANSYS新一代的產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)，它繼承了ANSYS經(jīng)典平臺(tái)在有限元仿真分析的所有功能，而且提供了與許多主流CAD三維軟件數(shù)據(jù)交流的接口，真正實(shí)現(xiàn)了集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化于一體，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)ANSYS建模能力弱的缺陷，使得有限元分析從理論化逐漸工程化，大大縮減了設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品開發(fā)周期。

2 干擾磁場框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的磁場框架材料為槽形框架，槽中用于安裝產(chǎn)生磁場的銅線。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)生磁場的框架線圈邊長是1m，兩線圈之間距離為0.544m；按照電磁參數(shù)要求，單個(gè)線圈的銅線質(zhì)量約3kg?？紤]到方形框架便于加工，因此設(shè)計(jì)和仿真工作均圍繞方形框架展開。

在選材方面，為避免框架帶來干擾，經(jīng)多方比較，決定選擇玻璃鋼作為主框架的材料。玻璃鋼具有質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且可設(shè)計(jì)性好；滾動(dòng)軸承選用全陶瓷球軸承；螺栓、定位銷采用尼龍或聚碳酸脂；軸材料選用硬質(zhì)杉木。

3 活動(dòng)零部件的強(qiáng)度校核

在磁場框架中，旋轉(zhuǎn)軸是個(gè)活動(dòng)部件，因此，軸及軸承需要做強(qiáng)度和剛度校核。設(shè)計(jì)中的軸承內(nèi)徑為25mm，與之相連的軸選用硬質(zhì)杉木，其詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1硬質(zhì)杉木性能參數(shù)

一般對軸要進(jìn)行三項(xiàng)強(qiáng)度校核：彎曲強(qiáng)度校核、剪切強(qiáng)度校核和抗壓強(qiáng)度校核。

對軸進(jìn)行受力分析，知道軸彎曲屬于平面彎曲中的橫向彎曲，橫截面上同時(shí)有正應(yīng)力與剪應(yīng)力，正應(yīng)力包括拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。由于軸截面為圓形截面，而圓形截面中性軸穿過形心，橫截面最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力相等。

軸及軸承強(qiáng)度校核結(jié)果如表2～表4所示。

表2兩軸強(qiáng)度校核結(jié)果

表3內(nèi)軸軸承(滾動(dòng)軸承)強(qiáng)度校核結(jié)果

表4外軸軸承(滾動(dòng)軸承)強(qiáng)度校核結(jié)果

從上述校核結(jié)果可以看出，軸及軸承均能很好地滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理。

4 磁場框架剛度校核

磁場框架主要承受線圈及框架自身的重力，是一靜載荷。本文運(yùn)用ANSYS Workbench對整體框架進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究其在重力作用下的受力及變形情況。通過靜力分析，可以校核結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 三維建模

本文采用Solidworks軟件進(jìn)行了三維建模。建模時(shí)小尺寸的幾何特征，如圓角、倒角等對強(qiáng)度的影響很小，但在ANSYS中會(huì)增加畸變網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生幾率，增加計(jì)算時(shí)間，影響計(jì)算精度，建模時(shí)予以簡化；另外為方便分析和計(jì)算，在將模型導(dǎo)入后屏蔽了銷釘及螺栓、螺母等小零件。模型如圖1所示。

圖1 干擾磁場框架模型

總體框架材料選用玻璃鋼型材，其性能參數(shù)如表5所示。

表5玻璃鋼性能參數(shù)

4.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元前處理的主要工作，是有限元分析的關(guān)鍵工作。網(wǎng)格劃分如果太粗，則結(jié)果與設(shè)計(jì)會(huì)相差較大，劃分太細(xì)又會(huì)使計(jì)算工作量太大，且沒有必要。

本框架模型采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。另外考慮到軸是整個(gè)框架的薄弱環(huán)節(jié)，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將其進(jìn)行局部細(xì)分，以獲得良好的仿真結(jié)果，取其單元大小為4mm。 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單元類型選用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體，優(yōu)選Solid187。網(wǎng)格劃分后，得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)230775個(gè)，單元數(shù)129235個(gè)。

4.3 施加力及邊界條件

框架在如圖2所示的狀態(tài)時(shí)，水平框架受垂直向下的力最大，約為60N，此時(shí)水平框架的形變也最大。當(dāng)框架旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，框架的受力方向和形變會(huì)相應(yīng)變化。限于篇幅，本文主要進(jìn)行圖2狀態(tài)的強(qiáng)度校核。

圖2 施加的力及邊界條件

4.4 求解及分析

經(jīng)過網(wǎng)格劃分和計(jì)算，得整體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布如圖3、圖4和圖5所示?？梢钥闯?，內(nèi)框架和外層支架基本沒有形變，在中層框架有少許形變，其中最大變形只有0.6mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不超過5mm的設(shè)計(jì)要求，所以，即使框架在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也能滿足設(shè)計(jì)要求；框架的最大受力發(fā)生在軸處，其最大主應(yīng)力約為4.6MPa，最大剪應(yīng)力為2.7MPa，亦能滿足強(qiáng)度要求。

圖3 結(jié)構(gòu)整體變形

圖4 主應(yīng)力分布圖

圖5 剪應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論

在本項(xiàng)目采用ANSYS Workbench軟件對所設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度和形變尺寸完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)進(jìn)行加工和裝配提供了技術(shù)保證。

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