有限單元法在徑向磁力軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉曾琳 張 黎

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005 2.中國十五冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖北黃石 435000）

有限單元法在徑向磁力軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉曾琳1張 黎2

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005 2.中國十五冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖北黃石 435000）

闡述了磁力軸承傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性，并介紹了有限單元法的基本概念及內(nèi)容。以某一參數(shù)的徑向磁力軸承設(shè)計(jì)為例，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、加載及后處理，總結(jié)出了有限元分析技術(shù)在磁力軸承設(shè)計(jì)中的一般步驟。

徑向磁力軸承；有限單元法；ANSYS模型

1 引言

磁力軸承的設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的軸承設(shè)計(jì)方法有很大的不同。首先磁力軸承是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的球軸承，推力軸承，則不需要考慮相應(yīng)的控制及算法。其次，現(xiàn)在的磁力軸承尚處于不成熟階段，沒有像傳統(tǒng)的軸承那樣得到標(biāo)準(zhǔn)化。磁力軸承的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常要經(jīng)過多次整機(jī)試驗(yàn)來驗(yàn)證選擇試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)過程中存在著很大的盲目性和局限性，不僅設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，耗資大，而且很難得到理想的方案。[1]

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)磁力軸承的研究愈來愈烈，而且對(duì)磁力軸承的穩(wěn)定性，質(zhì)量，性能，耐久性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性等提出了更高的要求。很顯然，在這里通過之前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足相應(yīng)的要求，有限單元法的使用則大大降低了設(shè)計(jì)周期，縮減了設(shè)計(jì)成本，充分發(fā)揮了磁力軸承的高性能。

2 有限單元法的基本概念和基本內(nèi)容

有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析之一，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新的數(shù)值計(jì)算方法，是計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到深入的應(yīng)用。[2]

有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解。它不僅能用于工程中復(fù)雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題的求解，而且還可用于工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)力分析。[3]有限元方法現(xiàn)已發(fā)展成為一種十分有效的結(jié)構(gòu)分析手段。目前國外已研制了許多成熟的大型有限元分析軟件，如SAP、ADINA、ANSYS、I-deas等。這些軟件使用極其方便，不需要對(duì)有限元法進(jìn)行很深人的了解，便可應(yīng)用這些軟件求解實(shí)際工程問題。

有限元分析技術(shù)在磁力軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)的局限性，縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

3 基于有限單元法的磁力軸承設(shè)計(jì)

這里我們以一個(gè)風(fēng)機(jī)為例，具體說明有限單元法在磁力軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動(dòng)的流體機(jī)械。風(fēng)機(jī)對(duì)軸承的要求較高，如果使用常規(guī)的普通軸承考慮到風(fēng)沙，雨水等的影響，對(duì)風(fēng)機(jī)的工作將起到十分不利的作用，所以這里有必要采用磁力軸承來對(duì)風(fēng)機(jī)的支撐特性進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)轉(zhuǎn)子和定子之間能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的間隙，且工作氣隙為0.5mm，通過有限單元法來計(jì)算磁力軸承能夠承受的最大的徑向和軸向力。

3.1 徑向磁力軸承設(shè)計(jì)參數(shù)

預(yù)設(shè)參數(shù)：軸及軸上零件總的質(zhì)量72kg，工作氣隙0.5mm，填充系數(shù)（槽滿率）0.6，電流密度8A/mm2，考慮到安裝問題，確定定子內(nèi)徑50mm，最大徑向載荷1136.53N，取1.6的安全系數(shù)，及徑向力為1888.8N。這里我們?nèi)型磁力軸承，大磁極匝數(shù)為80匝，小磁極40匝，最大偏置電流為8A。

3.2 對(duì)模型進(jìn)行有限元分析

下面對(duì)磁力軸承在工程應(yīng)用中的應(yīng)用進(jìn)行有限元分析，通過對(duì)模型計(jì)算及分析進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）模型建立：在ANSYS中直接建立二維模型，對(duì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到所需的裝配體結(jié)構(gòu)。

（2）劃分網(wǎng)格，加載：賦予材料屬性，網(wǎng)格劃分，以及加載求解。采用直接分網(wǎng)的方法對(duì)模型進(jìn)行多次比較，模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為1，對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對(duì)比，得到最好的解決方案。在這里我們加載的是環(huán)形跑道，依據(jù)環(huán)形電流的加載條件以及要求進(jìn)行加載。

（3）后處理：將得到ansys的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際要求對(duì)比，分析磁感線的分布，磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁力軸承所能承受的最大力，通過分析磁力密度矢量來分析計(jì)算結(jié)果。分析磁飽和現(xiàn)象，以及氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)的修改，設(shè)計(jì)，分析，最后得到徑向磁力軸承能夠提供最大徑向力為1800N，和所設(shè)計(jì)的要求1888.8N相比結(jié)果非常接近。

4 結(jié)束語

有限單元法是科學(xué)理論為指導(dǎo)，以社會(huì)和人的需求為目的，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為設(shè)計(jì)手段，它是在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法上發(fā)展起來的一種新型的分析理論及方法。有限單元法用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，不僅可以優(yōu)化產(chǎn)品的綜合性能，對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低生產(chǎn)成品，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益有很大的指導(dǎo)意義。有限單元法在磁力軸承設(shè)計(jì)中，應(yīng)用潛力巨大，具有很寬闊的發(fā)展前景。

[1]胡業(yè)發(fā)，周祖德，江征風(fēng).磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]杜平安.有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000，25（1）：34～36.

[3]曾攀.有限元分析基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

TP333

A

1004-7344（2016）29-0291-01

2016-9-22

劉曾琳（1995-），男，漢族，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。張黎（1976-），男，漢族，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。