基于有限元温度与结构分析的电机设计与优化

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1、展需求，而计算机技术在电机设计中变得越来越重要。计算机软硬件的开发应用及有限元技术的研究发展，为解决复杂的结构分析以及精确分析计算问题提供了条件。有限元法采用数值分析计算方法通过离散化求得问题的近似解，是常用的工程问[1]题求解方法。结合计算机辅助设计，有限元分析可以在产品设计阶段分析其设计的产品的结构合理性与可靠性，从而得出最佳产品方案，减少产品制造及试验时所需花费的成本。1.2国内外现状随着计算机技术的快速发展，有限元分析在工程中得到了广泛的应用，已成为一种强大的复杂工程问题的解决方案。其在机械制造、航空航

2、天、桥梁建筑、医疗环保、[2]能源和科学研究等各领域的广泛应用，使得产品研究与设计水平实现了质的飞跃。西方国家很早就开始大力研究发展有限元分析程序，但直到70年代初，CAE（计算机辅助工程）软件才真正被开发出来，而近十多年来CAE软件在市场上得到快速的发展。CAE开发商为了满足用户需求，对软件的功能和用户界面进行了大量的增强与改进，从而在软件易用性、功能强大性、计算准确性及平台兼容性方面不断地完善，大大增强了解决复杂工程问题的能力。目前工程中常用的CAE软件有LSTC公司的LS-DYNA、HKS公司的ABAQU

3、S软件、公司ANSYS公司的ANSYS、SolidWorks公司的COSMOS、ADINA、[3]MSC-NASTRAN、MSC.MARC等。国内的有限元分析软件发展比较缓慢，主要有JIFEX、FEM、FEPS等，但是无论在功能上还是易用性方面，与ANSYS、ADINA等著名有限元软件有着巨大的差距。[4,5]分析近年来CAE软件的发展历程，能大体上得出有限元技术今后的发展方向：(1)有限元软件网格处理能力有待增强有限元计算分析中，模型结构的网格剖分质量直接关系到求解时间及计算结果的精确程度。众多有限元软件开发

4、商纷纷在网格处理方面加大研究投入，虽然在一定程度上提高了网格的质量，但是在处理复杂的三维模型方面，现有的软件大多数没有进2行高质量的网格处理的能力。在三维模型分析计算中，最佳的网格处理方法有自动六面体网格划分和自适应网格划分，而这些是有限元网格技术中急需解决的技术难题。(2)非线性问题求解成为趋势许多工程问题必须借助于非线性理论分析计算。非线性问题求解非常复杂，需要掌握多方面的知识，这为工程师在解决工程问题中带来的众多不便。为此国外的一些有限元软件公司开发出非线性分析软件，如ADINA。它们具有的强大的非线性分

5、析功能，可以高效准确地解决复杂的非线性工程问题。(3)耦合场问题求解成为必然有限元分析方法最早用于求解线性结构力学问题，随着有限元方法和软件技术的发展成熟，已经逐渐发展到求解结构非线性、流体动力学、温度场和电磁场等多场耦合问题，即耦合场问题。由于工程问题日趋复杂化，耦合场的求解已经成为必然趋势。(4)与CAD软件紧密结合有限元软件与CAD软件紧密结合，既是有限元的分析方法的发展趋势，又是CAD软件的努力方向。例如在SolidWorks软件中，用户可以完成产品虚拟建模设计后，直接对模型进行网格剖分，然后有限元分析

6、计算。如果分析结果无法满足设计需求，可以在CAD中重新建模设计。为了满足工程师方便快捷地解决工程问题，许多有限元分析软件如ANSYS、ADINA等和CATIA、Pro/E等CAD软件之间都有API接口，方便将已完成CAD模型直接导入有限元软件进行分析。(5)开放性的程序环境随着用户解决工程实际问题的需要，软件必须提供给用户一个开放的程序交互环境。用户可以根据实际情况自定义模型的材料属性、求解边界条件及求解算法。用户还可以扩充软件功能，进行软件的二次开发。采用先进的有限元技术，增强软件的功能，不断提高解决工程问题

7、的效率，是用户对CAE软件的迫切需求，也是CAE软件开发的长期目标。1.3有限元分析综述[2]有限元法这一概念的雏形，是Courant在1943年发表的一篇论文中提出的。十几年以后，人们开始采用离散化的概念来描述有限元法，从而使有限元法的轮廓渐渐3清晰化。“有限元法”(FEM，FiniteElementMethod)这一名称是Clough于1960年提出[6]的，后来被人们广泛接受并沿用至今。随着1946年大型电子计算机“ENIAC”的诞生，半个多世纪以来计算机得到了迅猛的研究与开发，为有限元技术的应用提供了坚

8、实的硬件平台。有限元理论和计算机技术的迅速发展，共同促进了有限元法在解决复杂工程问题中的应用。从“有限元”的正式提出到现今有限元技术的广泛应用，有限元理论与算法正不断[7]发展完善。有限元法的目的是用较简单的问题代替复杂问题后再近似求解。其基本思想是结构的离散化，即将实际所需求解的连续体或结构离散化为有限数目的小单元[8]或结构，可以通过对单元体进行分析求解，得到满足精度要求的实际结构