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下面划分网格。由于网格密度和数量直接决定计算量和计算结果细致程度。首先采用较为粗糙的总体网格0.5mm尺寸进行划分，进行一次试验性计算。如图-45所示。 图-45 总体网格划分 网格划分后，单元数4.3万个，节点数24.7万个，属于较小的计算规模。 下面估计一下计算规模及对计算机内存的消耗量。如不考虑接触，其计算规模为24.7x3=74.1万个自由度。在求解时，如采用迭代求解器，其内存消耗量约为1x0.741=0.741G。如考虑接触，并考虑本身程序运行等因素，本规模下内存需求为4G左右。 本六面体单元，在ANSYS Workbench中，默认采用20个节点的高阶Solid 186单元建立，每个节点有X、Y、Z三个方向的平移自由度；四面体则为10节点高阶Solid187单元。 如采用直接求解器，内存消耗量为10x0.741G=7.41G，总内存消耗量预计在10G左右。则建议最低配置为16G内存的电脑。对于其他计算，方法近似，不再赘述。 本网格较为粗大，对于强度计算而言，各个隔磁桥处网格较为粗糙，不利于精确捕捉应力分布规律，需对其进行局部细化网格操作。本文采用单元细化功能。选取需要细化的硅钢片隔磁桥周围表面，并通过mesh中的单元细化功能，设置2级细化。如图-47所示。 由于冲片形状简单，软件自动以六面体网格划分，有利于节约计算量。但单元细化功能加入以后，其只能形成局部四面体网格，将带来网格数量（计算量）的巨大攀升。应根据实际情况，确定细化等级和范围，保证计算量在合理范围之内。 图-46 局部单元细化 设置2级单元细化程度。本功能可明显提高局部单元密度。如上文所述，在不考虑接触等增加计算量条件下，节点数直接决定内存消耗，如计算机内存不足，将面临计算速度降低10倍以上，甚至无法计算的窘境。故应小心设置，以保证计算规模在合理范围内。 图-47 设置单元细化等级 右键Mesh刷新网格。新生成的网单元数7.8万个，节点数21万个，规模及对计算机内存的需求，与细化前基本一致。如图-48所示。 局部放大可了解，隔磁桥附近网格密度，明显大于其他位置。关于网格设置对结果的影响，在本文后半部分有专题进行描述。 图-48 新生成的网格 下面设置荷载与边界条件。选取转轴内孔设置一个圆柱约束。如图-49所示。 图-49 设置圆柱约束边界条件 设置转速荷载。在惯性荷载菜单栏中，对转轴空内侧加载转速。如图-50所示。本设置为纯粹的静态外载，无法在结果中查看实际旋转的效果。如需真实计算动态旋转效应，可以采用静力学分析模块设置运动副，既接触中的Joint或者在瞬态动力学、多刚体动力学、显示动力学等模块中，设置旋转关系。 图-50 加载转速荷载 默认情况下，转速单位为弧度/秒，其不符合常规认识，可在左上角单位制菜单栏中，修改为更符合一般认识的RPM，既转/分钟的单位。选中内孔表面，在左下角转速的详细信息中，输入转速值。如图-51所示。 图-51 更改转速单位制 转速数据根据电磁性能设计决定，本文所用电机为3600RPM，如图-52所示。根据转速计算，本转子外圈线速度仅14m/s，为第四代普锐斯转子143m/s的10%左右，则离心力为其1%左右。强度设计的难度很低。 图-52 电机转速指标 输入转速后，单击左下角方向按钮，选取硅钢片轴向表面，确认，则可设置为沿着轴向旋转。如图-53所示。 具体的转速方向，软件默认以黄色箭头表示，如需要方向相反，可设置为-3600RPM转速。 图-53 设置旋转方向 至此，完成了几何建模、材料设置、接触设置、荷载及边界条件设置，其他未注明事宜均采用软件默认，检查各项设置，无误后保存文件，单击左上角Solve按钮，进行求解。 求解过程中，可在求解信息中显示力的收敛值指标，以查看真实的计算进度。如图-54所示。 这里使用“真实的计算进度”一词，因为在默认情况下，弹出的计算进度对话框，绝大部分时候，都无法全面真实的显示计算进程，容易引发误解和浪费宝贵的计算时间。 静力学分析中，时间参数无实际时间意义，仅仅为工作内容的计数器，默认为1秒。下图中当前计算进度为0.7秒，表示已经完成了70%的计算。右侧绿色线为子步的收敛提示，以及右下角红色曲线均稳步上升，说明计算进展良好。 如下图6个子步完成0.7s计算进程，说明在每个子步中，将0RPM—3600RPM的转速荷载，加载了约为1000RPM并逐步累积荷载。当多次逐渐加载至稳步完成时，即可得到完整计算进程的结果。 图-54 计算进度 图中紫色线，为当前子步下的不平衡力，如低于青色线的目标值，则认为外载（离心力）与圆柱约束处对应的，抵抗离心力的反作用力基本平衡，可进行下一步加载计算。如紫色线高于青色线，说明不平衡力过大，可能出错或者影响计算进度。如多次连续高于青色线，软件会自动二分，既将加载速率减半，继续以更小的加载间隔进行求解。如成功，则继续以原始子部间隔计算；如失败可能终止整个计算。 本节仅设置一个转速荷载，则总的时间步为1。软件在计算过程中会自动的进行分块逐渐加载进行计算。 计算完成后，右键Solution选取所需的计算结果，如等效应力及变形等。如图-55所示。
图-55 提取等效应力结果 分别提取结果后，需要进行刷新显示结果操作，如图-56所示。
图-56 刷新结果 提取应力结果如下图右侧，其大量蓝色区域代表低应力范围较大。默认的蓝色不利于显示和打印，可双击图例对应颜色，将其修改为纯白色。如图-57所示。 由于仿真结果的颜色可任意修改，实际颜色对应的数据，才是最关键的。这在部分初学者中可能会有疑惑。红色不一定是危险区域，需要根据实际情况判断，这个结果对应的数据，是否真的危险。
图-57 更改图例颜色 图-58为应力结果云图，可以看出隔磁桥附近应力相对集中，但是最大值仅17Mpa，远低于硅钢片数百个Mpa的屈服强度值，说明对于强度设计而言，本冲片设计有较大的安全余量。其一方面可继续减少隔磁桥宽度，或者长度等，或者采用更小的直径以及更高的转速。为保证冲压成型的合格率，隔磁桥宽度应大于一定范围。
图-58 应力结果云图 由于为改善局部应力结果精度，在设置了局部细化网格，可通过显示网格功能，局部查看细化后的应力结果。如图-59所示。
图-59 显示网格 单独查看细化区域应力结果可知，隔磁桥的根部附近，存在一定的应力集中。如图-60所示。 如需优化强度设计，可适当调整该处附近的形状与结构，以缓解应力提高承载力，从而实现更高速更轻量化的转子冲片强度设计。该部分在本文后续小节中，会进行专题讲述。
图-60 局部应力结果 也可以使用探针功能，直接在云图上点选关键位置的应力数据，如图-61所示。
图-61 使用探针功能 图-62为变形结果云图。其外圈最大变形为0.0056mm，相对总体尺寸而言，其可忽略不计。 在有限元分析过程中，计算顺序为节点位移---单元位移—单元应变—单元应力---总体应力。变形结果在计算的前期获得，精度较高所以变形结果，受到网格影响不明显，故各处变形量几乎一致。而应力结果经历了经过多轮计算，会损失一定精度，故需要较为细密的网格进行补充。 对于线速度达到100m/s以上高速电机而言，强大的离心力，可能会造成气隙10%左右的外圈局部变形，在一定程度上影响电磁性能。 在常规的电磁性能设计中，均采用原始未变形模型进行计算，可能存在一定的误差。为提高电磁计算精度，可采用变形后的有限元模型，重新生成为几何模型，进行热车状态下形状电磁性能的验证计算。这在本文最后部分，将以专题文章形式进行讲解。
图-62 总体变形结果 下面介绍一个19版新功能。 在求解信息的详细信息中，新增了一个统计软硬件计算需求的页面，可更为直观的了解到，当前计算对计算机硬件的使用状态，有利于更好的把握计算效率。如图-63所示。 右侧页面中间位置，显示了最大内存需求为1.06G。其与前文不考了接触时估算的0.74G一致。
图-63 求解信息 本次分析采用笔者Thinkpad X1 2013款的超轻薄笔记本进行计算。在该页面中，也显示了内存和CPU的有关信息。较为人性化的是，右下角显示了两条提高计算效率的推荐。 1、 不要调用所有的物理核心（本计算机为2个物理核心+2个虚拟核心组成），如果遵循软件推荐，则只能开启1个核心进行计算，将失去一半的计算能力。 如使用的电脑核心数量较多，如笔者家中的私人工作站为24个物理核心。对于本提示，可在并行中设置20个—23个核心调用。可在一定程度上，防止由于所有核心满负荷，而影响总体发挥的情况； 2、 使用直接求解器。本文在outline的Analysissetting中的左下角详细信息中，可将求解器从迭代求解器更改为直接。其对计算机内存（memory）需求增加约10倍，对硬盘读写速度需求增加约为3倍，计算速度可增加1--3倍。 3 总结至此，本文以ANSYS官方案例的电机模型为例，通过SolidWorks软件和ANSYS DM模块创建了适合仿真分析的薄片状三维几何模型，借助ANSYS Workbench环境下静力学分析模块，加载转速荷载，计算了3600RPM转速时，转子冲片在离心力下产生的应力与变形情况。 作为本文开篇，本节内容较为浅显，仅从较为基础和宏观角度，介绍了冲片强度计算的基本流程和方法与注意事项等。在本文后续章节中，将逐步扩展深化，介绍更为细致、全面、专业、实用化的，适用于新能源汽车高速电机转子冲片强度设计的各种常用方法与解决问题的思路。 |
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