ansys有限元分析软件在微小飞轮设计中的应用

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1、Aug12004Vol122,No.42004年8月第22卷第4期航天控制AerospaceControl文章编号:100623242(2004)0420082205ANSYS有限元分析软件在微小飞轮设计中的应用战榆莉虎刚徐映霞北京控制工程研究所,北京100080摘要应用ANSYS有限元分析软件,对一种微小飞轮的转子结构建立了其力学性能的有限元分析模型。针对结构参数的四种设计方案,分别计算了该飞轮转子结构在两种静力学条件下的节点应力分布及位移分布,并通过模态分析得到了相应的固有频率以及对应的振型。主题词有限元分析微小飞轮模态分析中图分类号:TP31文献标识码:AApplicationo

2、ftheFiniteElementAnalysisSoftwareANSYSinMini2wheelDesignZhanYuliHuGangXuYingxiaBeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100080AbstractUsingfiniteelementanalysissoftwareANSYS,amechanicalmodelforfiniteelementanalysisisbuiltforamini2wheel.Forfourdesignconceptsofthismini2wheelstructurethenodalstr

3、essandstraindistribu2tionsarecalculatedintwostaticconditionsrespectively,thenthenaturalfrequenciesandvibrationmodescorre2spondingtothesestructuresareobtainedbymodalanalysis.Mini2wheelSubjecttermsFiniteelementanalysisModalanalysis因此,采用精确的数值分析计算手段,对产品结构参数进行定量的分析,根据分析结果指导产品的结构设计,是解决产品结构微型化和集成化设计问题的

4、一个必要基础。基于以上认识,作者采用AN2SYS有限元分析软件,对一种微小飞轮结构参数的多种设计方案进行了若干项力学性能的分析计算,其计算结果供产品设计师参考。1前言国内小卫星,微小卫星及其星座技术的强劲发展势头对星上部件的重量、功耗等主要技术指标提出了越来越苛刻的要求。对于星上机电部件来说,应对上述挑战的可能努力方向是多方面的,其中,产品本身的微型化和集成化是一项基本的内容。对于产品的结构设计来说,微型化设计将带来以下问题:由于对所设计产品的主要结构尺寸“斤斤计较”,以期强度、刚度以及动态性能等技术指标既满足要求,质量又最轻,这样的集成化设计往往使产品结构趋于复杂化,结构复杂且尺寸又

5、小,因而用传统的解析分析方法往往无法获得该产品足够精确的力学性能分析结果。2微小飞轮结构及其分析要点2.1结构描述飞轮是卫星姿态控制系统的执行部件,根据星上计算机指令控制输出相应的力矩,以克服干扰力矩,使卫星保持其姿态稳定。因重量和功耗的限制,微小飞轮在结构设计方面与一般飞轮有所不同,具有微型化和集成化的特点,结构中各部分的界限不再像一般飞轮那样明显,各部分往往“身兼数职”,同时具备多种功能。由于微小飞轮转子是形成飞轮角动量的部分(以下称旋转质量),工作时高速旋转,是结构中受力情况最恶劣的环节。根据产品设计师的要求,本文分析计算的主要目标是微小飞轮转子部分。该部分基本由内环、外环和连接

6、件三部分组成,结构设计方案分为整体式和辐条式两种,如图1(a)和(b)所示。图1飞轮转子结构这三部分装配在一起共同组成一个旋转质量,工作时以相同角速度旋转。2.2分析计算的主要目标设计者给出了微小飞轮的四种初步设计方案,其中方案1为整体式结构;方案2,3,4为辐条截面形状不同的辐条式结构。分析计算的主要目标是要通过有限元分析,获得这四种设计方案在如下两种工况下的应力、应变分布以及固有频率:(1)飞轮的稳定工作状态:飞轮转子以一恒定的转速高速旋转;(2)地面加速度试验状态:轴向10倍重力加速度,径向4倍重力加速度。如上所述,设计者提供的四种初步设计方案分整体式和辐条式两类,但二者均不存在

7、梁、壳、板等特殊结构,因而在建模时可以采用基本相同的处理,具体如下:●四种方案的旋转质量均作为体结构处理,选用solid45-8节点实体单元1;●为简化起见,去掉R<0.5mm的圆角和倒角(此项几何建模时完成);●对相连接的配合端面采用ANSYS命令glue,使相应的配合端面具有一致的节点,进行相应的简化2;●选用SmartSize=6进行智能网格划分1。约束条件整个旋转质量由连接件通过轴承连接到电机4.2软件的选用3上,因此,对整个结构的约束