基于ANSYS的电机支架的拓扑结构优化设计

江苏大学工程有限元分析》大作业1=基于ANSYSWorkbench的电机支架有

限元分析1=姓名：学号：专业：班级：2011年6月25日基于ANSYSWorkbench的电机支架有限元分析问题描述：汽车发动机支架，就是起支撑发动机的作用。支架上带有螺丝，可以调节电机皮带的松紧。电机支架的设计中，人们总是希望在满足设计要求的前提下尽可能地减少电机支架的质量，因此，对支架进行静力学分析和结构优化尤为重要。本文采用ANSYSWorkbench软件对电机支架进行静力分析以及拓扑优化分析。1.创建三维实体模型采用pro/e软件建立电机支架的三维模型。考虑到一些细小特征对整体性能影响很小，根据圣维南原理，对部分局部特征如螺纹、凸台等进行了适当的简化。简化模型既有利于提高有限元分析的效率，又不会影响支架的刚度和强度。电机支架三维模型。如图1.1所示。图1电机支架三维模型2.创建有限元模型打开ANSYSWorkbench的“Simulation”模块，将支架模型以pro/e原文件格式导入ANSYSWorkbench中。由于ANSYSWorkbench系统中的坐标系与三维模型设计过程中的坐标系不同，如没有特别说明，均为ANSYSWorkbench中的坐标系。按照设计要求，支架的材料为HT300,所以添加材料信息时，取弹性模量为（1.4x103）MPa,泊松比为0.24,密度为7200kg/m3,划分网格时，精度选取为低精度，其余为默认选项，以“GenerateMesh”形式划分网格，得到电机支架的有限元模型如图2所示。

0.0000.0350.070(m)0.0180.0530.0000.0350.070(m)0.0180.053图2电机支架有限元模型3.添加约束和载荷并求解分析类型选择静力学，并进行静力学分析。电机支架是起固定作用的，所以其底面与沉头孔上表面应添加无摩擦约束，如图3所示；其次，沉头孔圆柱面应添加圆柱约束，如图4所示。对Z方向施加载荷，并进行求解。Z方向变形图，如图5所示。图3底面与沉头孔上表面添加约束mGn)B:ShapeOptiaization(ASSTS)CylindricalSupportTimemGn)B:ShapeOptiaization(ASSTS)CylindricalSupportTime:1.s2011-6-2517:44:HCylinlit-icalSupport：0图4沉头孔圆柱面添加圆柱约束1.8618e-6l&x1.6549.-61.448e-61.2412e-61.0343e-68.2746e-76.2059e-71.8618e-6l&x1.6549.-61.448e-61.2412e-61.0343e-68.2746e-76.2059e-74.1373e-72.0686e-70lin0.0500.0250.100(m)0.075图5Z方向应变图根据变形图可知Z方向变形量，由静刚度公式可知：K=P/Y，式中：K-静刚度，P-作用力，Y-变形量。算出Z向静刚度为2.685E+09。电机支架拓扑优化及结果分析验证拓扑优化实际上是一种模型的几何构形的优化，它的目标是在给定约束和载荷的情况下，为了使某个目标（总体刚度、自振频率等）最小化或最大化而寻求实体材料的最佳使用方案。拓扑优化分析有限元模型的建立与静力学分析的相同，在加载求解步骤中，分析类型选择“ShapeOptimization”，位移约束添加同静力学分析，设置优化目标为20%，进行运算求解，得到固定载荷的作用下的电机支架最小化模型，如图6所示。其中，红色的表示应该去除的部分，灰色的表示应该保留的部分。图6图6拓扑优化分析结果根据分析结果改进支架模型图6所示的拓扑优化模型为不规则形状。实际设计中，考虑到应力分布等问题，不能将红色区域全部切除，在pro/e软件中按切除规则切除部分区域，得到电机支架修改后的模型，如图7所示。图7优化后的电机支架图7优化后的电机支架优化后支架静力学分析按照ANSYSWorkbench中静力学分析步骤，对优化后的电机支架进行了静力学分析，分析得

到Z方向位移变形图和应力云图，分别如图8所示和图9所示。根据变形结果，得到Z向静刚度如表1，由表中结果可知，改进后的支架静刚度基本不变，满足结构要求。B:StaticStructural(AVSTS)TotalDeformationType：TotalDeformstionUnit:mTime:12011-6-2519:261.8361e~6BaxI1.6321e-61.428e-61.224e-61.02e-61.428e-61.224e-61.02e-68.1603e-76.1202e-72.0401e-7图8优化后Z方向位移变形图B:StaticStructural(AVSTS)EquivalentStressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:Pa图8优化后Z方向位移变形图B:StaticStructural(AVSTS)EquivalentStressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:PaTime：12011-6-2519:241486e6lax—4.0045e6—3.4325e6—2.8604e6—2.2884e6l.T163e61.1443e6■■5.7226e5209.96Bin0.0000.0350.0180.0530.070On)图9优化后应力云图

表1静刚度分析结果电机支架静刚度优化前2.685E+09优化后2.723E+09结论应用ANS