基于ANSYS的密封腔体结构改进设计.pdf

基于 的密封腔体结构改进设计王光越(中国船舶集团有限公司第七一研究所湖北 宜昌)摘 要:水下电机是水下机器人上重要的推进设备 针对一款电机打压试验出现损坏的情况分析了故障产生的原因通过数字化设计用 建立了简化的三维模型并利用 仿真的方式复现了故障现象根据仿真的结果对铜端盖进行了改进设计并重新进行了仿真之后打压验证了设计的可行性关键词:耐压结构 有限元中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言水下机器人是能够在海洋环境下代替人进行某种作业的自动控制装置 水下机器人包含导航系统、能源系统、推进系统及控制系统等 水下电机是推进系统的重要组成部分耐水压能力是水下设备工作的重要指标随着机器人下潜的深度越来越大水下密封壳体的耐压分析也越来越重要 是常用的有限元分析软件可以进行静力学分析、瞬态动力学分析及流体分析等 是常用的三维建模软件提供了强大的零件建模及装配功能生成的模型可导入到 进行分析 故障机理.故障现象本款电机使用水深 设计耐压能力.铜端盖附近的密封腔体结构简图如图 所示 密封腔体左端出轴连接螺旋桨右端与电机本 图 密封腔体模型体相连 铜端盖外圆使用 形圈与安装座密封内圆使用 形圈与电机出轴密封水进入到密封腔内直接作用在铜端盖的 面上打压时将电机装配到位整体放入到高压釜内加外水压.进行外压试验后拆开电机密封腔体发现电机出轴处的铜端盖变形严重边缘 个固定螺钉发生弯曲断裂具体情况如图 所示.故障原因分析从打压之后的图片可以看出铜端盖的外边缘变形严重部分螺钉发生弯曲甚至断裂中心圆盘部位变形较小因此先对螺钉强度进行校核计算铜端盖的具体尺寸如图 所示图 密封腔体实物变形图?f?图 铜端盖尺寸图(单位:)根据图 分析在.水压的作用下铜端盖中心圆盘受力:.(.)在进行螺钉强度校核计算时先不考虑弯矩的作用 查机械设计手册可知 螺钉螺纹的应力截面积 为.固定螺钉一共有 个则单个螺钉的拉应力为:.远远超过了螺钉的屈服极限 也超出了螺钉的最大抗拉强度 因此螺钉发生严重弯曲甚至断裂 铜端盖的承力面主要是与 个固定螺钉的接触面接触面较小同时由于螺钉的弯曲导致铜端盖的外边缘受力发生严重的塑性变形使铜端盖中心产生了较大的位移 故障结构仿真分析.模型建立考虑到 建模的强大的能力本文利用 建立了电机密封腔体简化的三维模型密封腔体三维模型如图 所示根据实验结果分析铜端盖及安装螺钉发生了明显的塑性变形这里采用非线性材料来进行静强度分析 其中密封腔体的铜端盖为锡青铜查机械设计手册材料属性如下)材料:锡青铜.)抗拉强度:)密度:./)屈服强度:)弹性模量:)泊松比:.密封腔体的其他材料选择非线性不锈钢材料屈服强度为 电机密封腔体的网格模型如图 所示图 密封腔体三维模型 图 密封腔体网格模型.故障结构仿真经静力学仿真计算并对计算结果后处理得到电机密封端盖结构的等效位移应力云图具体分析结果如图 图 所示图 密封腔体位移应力云图图 铜端盖位移应力云图图 螺钉位移应力云图.故障结构仿真结果分析从图 可以看出密封腔体发生明显变形的部位在铜端盖和固定螺钉上铜端盖的安装座及中心轴在安全范围以内 从图 可以看出铜端盖最大应力为.最大变形为.铜端盖超出屈服极限()的位置很多铜端盖的中心及边缘均产生较明显的塑性变形与实际打压铜端盖的变形情况一致 从图 可以看出螺钉最大应力为.最大变形为.超过材料屈服极限()呈环状分布螺钉极有可能发生断裂与实际打压试验中螺钉发生弯曲断裂相符合 结构改进设计.改进结构分析从仿真分析结果可知在铜端盖的中心和边缘都产生了永久的塑性变形说明铜端盖的薄弱点主要分布在两个部位:一是铜端盖中心太薄在外水压作用下产生了较大的挠度二是铜端盖边缘太薄在水压作用下直接发生了翘曲变形 另外从仿真结果分析可知螺钉发生了永久性的塑性变形说明 个螺钉受力太大在弯矩和拉力的作用下发生了弯曲甚至断裂根据以上分析结果主要从三方面进行改进设计:)增加铜端盖中心板的厚度)增加铜端盖支撑边缘的厚度)增加铜端盖边缘固定螺钉的数量改进之后铜端盖的二维尺寸图如图 所示?f?图 改进后铜端盖尺寸图(单位:).改进结构仿真对改进之后的密封腔体重新进行静力学仿真计算并对计算结果后处理得到电机密封腔体的等效位移应力云图具体分析结果如图 图 所示图 改进后密封腔体位移应力云图图 改进后铜端盖位移应力云图图 改进后螺钉位移应力云图.改进结构仿真结果分析从图 中可以看出铜端盖最大位移.最大等效应力为 超出材料屈服极限()区域很小主要是应力集中区域发生在铜盖和螺钉的接触位置 螺钉最大等效应力 超出材料屈服极限()区域主要是应力集中区域最大位移.满足使用要求 结论)描述了故障发生的现象分析了故障发生的原因)建立了故障结构电机密封腔体三维模型进行了非线性静力学分析得到了电机密封腔体各部位的位移应力云图并对故障结构仿真结果进行了分析机器人关节电机设计与分析金良宽(.贵州航天林泉电机有限公司贵州 贵阳.国家精密微特电机工程技术研究中心贵州 贵阳)摘 要:机器人关节电机是外骨骼机器人的核心部件需要满足体积小、效率高、功率密度高、温升低等要求 基于系统对电机的要求通常采用表贴式内转子永磁同步电机结构 针对该类型电机温升低的要求首先分析电机损耗的组成并采用 软件对电机进行优化设计其次采用 软件分析不同定子裂比下电机温升得出最优的定子裂比然后分析电机性能及温升最后制造样机并完成电机温升测试 通过仿真分析和实物测试各项性能满足外骨骼机器人关节电机要求关键词:关节电机 外骨骼 损耗 温升中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言随着科学技术的发展机器人受到人们越来越多的关注 其中外骨骼机器人在军事、医疗及工业等领域得到广泛应用机器人关节电机是外骨骼机器人的动力来源需要满足体积小、效率高、功率密 )根据故障结构的仿真分析对电机密封铜端盖进行了改进设计并对改进之后的密封腔体进行了非线性静力学分析验证了改进设计的可行性参考文献 金克帆王鸿东易宏等.海上无人装备关键技术与智能演进展望.中国舰船研究():.朱邦俊万正权徐秉汉等.半圆环壳型肋骨加强的耐压圆柱壳结构稳定性研究.船舶力学():.刘江.机械仿真实例详解.北京:机械工业出版社.丁源.中文版从入门到精通.北京:清华大学出版社.闻邦椿.机械设计手册.北京:机械工业出版社.作者简介:王光越()男湖北枣阳市人高级工程师硕士研究方向:水下机器人结构设计收稿日期: