ansys有限元分析軟件在微小飛輪設計中的應用

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1、Aug12004Vol122,No.42004年8月第22卷第4期航天控制AerospaceControl文章編號:100623242(2004)0420082205ANSYS有限元分析軟件在微小飛輪設計中的應用戰(zhàn)榆莉虎剛徐映霞北京控制工程研究所,北京100080摘要應用ANSYS有限元分析軟件,對一種微小飛輪的轉子結構建立了其力學性能的有限元分析模型。針對結構參數(shù)的四種設計方案,分別計算了該飛輪轉子結構在兩種靜力學條件下的節(jié)點應力分布及位移分布,并通過模態(tài)分析得到了相應的固有頻率以及對應的振型。主題詞有限元分析微小飛輪模態(tài)分析中圖分類號:TP31文獻標識碼:AApplicationo

2、ftheFiniteElementAnalysisSoftwareANSYSinMini2wheelDesignZhanYuliHuGangXuYingxiaBeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100080AbstractUsingfiniteelementanalysissoftwareANSYS,amechanicalmodelforfiniteelementanalysisisbuiltforamini2wheel.Forfourdesignconceptsofthismini2wheelstructurethenodalstr

3、essandstraindistribu2tionsarecalculatedintwostaticconditionsrespectively,thenthenaturalfrequenciesandvibrationmodescorre2spondingtothesestructuresareobtainedbymodalanalysis.Mini2wheelSubjecttermsFiniteelementanalysisModalanalysis因此,采用精確的數(shù)值分析計算手段,對產(chǎn)品結構參數(shù)進行定量的分析,根據(jù)分析結果指導產(chǎn)品的結構設計,是解決產(chǎn)品結構微型化和集成化設計問題的

4、一個必要基礎?；谝陨险J識,作者采用AN2SYS有限元分析軟件,對一種微小飛輪結構參數(shù)的多種設計方案進行了若干項力學性能的分析計算,其計算結果供產(chǎn)品設計師參考。1前言國內小衛(wèi)星,微小衛(wèi)星及其星座技術的強勁發(fā)展勢頭對星上部件的重量、功耗等主要技術指標提出了越來越苛刻的要求。對于星上機電部件來說,應對上述挑戰(zhàn)的可能努力方向是多方面的,其中,產(chǎn)品本身的微型化和集成化是一項基本的內容。對于產(chǎn)品的結構設計來說,微型化設計將帶來以下問題:由于對所設計產(chǎn)品的主要結構尺寸“斤斤計較”,以期強度、剛度以及動態(tài)性能等技術指標既滿足要求,質量又最輕,這樣的集成化設計往往使產(chǎn)品結構趨于復雜化,結構復雜且尺寸又

5、小,因而用傳統(tǒng)的解析分析方法往往無法獲得該產(chǎn)品足夠精確的力學性能分析結果。2微小飛輪結構及其分析要點2.1結構描述飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件,根據(jù)星上計算機指令控制輸出相應的力矩,以克服干擾力矩,使衛(wèi)星保持其姿態(tài)穩(wěn)定。因重量和功耗的限制,微小飛輪在結構設計方面與一般飛輪有所不同,具有微型化和集成化的特點,結構中各部分的界限不再像一般飛輪那樣明顯,各部分往往“身兼數(shù)職”,同時具備多種功能。由于微小飛輪轉子是形成飛輪角動量的部分(以下稱旋轉質量),工作時高速旋轉,是結構中受力情況最惡劣的環(huán)節(jié)。根據(jù)產(chǎn)品設計師的要求,本文分析計算的主要目標是微小飛輪轉子部分。該部分基本由內環(huán)、外環(huán)和連接

6、件三部分組成,結構設計方案分為整體式和輻條式兩種,如圖1(a)和(b)所示。圖1飛輪轉子結構這三部分裝配在一起共同組成一個旋轉質量,工作時以相同角速度旋轉。2.2分析計算的主要目標設計者給出了微小飛輪的四種初步設計方案,其中方案1為整體式結構;方案2,3,4為輻條截面形狀不同的輻條式結構。分析計算的主要目標是要通過有限元分析,獲得這四種設計方案在如下兩種工況下的應力、應變分布以及固有頻率:(1)飛輪的穩(wěn)定工作狀態(tài):飛輪轉子以一恒定的轉速高速旋轉;(2)地面加速度試驗狀態(tài):軸向10倍重力加速度,徑向4倍重力加速度。如上所述,設計者提供的四種初步設計方案分整體式和輻條式兩類,但二者均不存在

7、梁、殼、板等特殊結構,因而在建模時可以采用基本相同的處理,具體如下:●四種方案的旋轉質量均作為體結構處理,選用solid45-8節(jié)點實體單元1;●為簡化起見,去掉R<0.5mm的圓角和倒角(此項幾何建模時完成);●對相連接的配合端面采用ANSYS命令glue,使相應的配合端面具有一致的節(jié)點,進行相應的簡化2;●選用SmartSize=6進行智能網(wǎng)格劃分1。約束條件整個旋轉質量由連接件通過軸承連接到電機4.2軟件的選用3上,因此,對整個結構的約束