CADCAM课程设计报告

2、利用“通过曲线网格”和“延伸曲面”命令生成叶片的初步模型

3、通过草图截面修剪叶片的初步模型

4、利用“移动对象命令”生成三片风扇叶片

5、根据实际情况，对叶片与中间固定圆柱面的交界处进行“焊接”处理，避免造成压力集中

6、最终经过“倒角”、“布尔运算”和“编辑显示”等命令之后的叶片实体模型

二、基座建模流程

1、基座实体用到的主要命令是“拉伸”命令，可以在草图平面上画出基座实体需要用到的所有草图

2、利用“拉伸”、“布尔操作”、“替换面”、“边倒圆”和“编辑显示”等命令得出基座的实体模型

三、支承的建模流程

1、利用“回转”命令得出支承座初步模型

2、利用“抽壳”命令对底座进行抽壳，取厚度为5mm

3、利用“拉伸”和“移动对象”命令画出支承座的加强肋板

4、利用圆柱体画出支撑杆，得出支承的最终模型

四、摇头风扇的运动仿真及相关运动学/动力学特性参数 4-1 摇头风扇的装配

1、风扇叶片前罩与后罩为同心约束

2、齿轮Z36和连杆直间为接触对齐约束

3、基座与电机后盖之间为距离约束，相距6mm 4、叶片与电机轴之间为接触对齐约束

5、柄和基座之间为同心约束

6、连杆和基座之间为接触对齐约束

7、基座和电机前壳之间为同心约束 8、支承和柄之间为接触对齐约束

4-2 摇头风扇的运动仿真

运动仿真是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力学分析和设计仿真。通过UG/Modeling 的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion 的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系即可建立一个运动仿真模型。UG/Motion 的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。 运动仿真功能的实现步骤为： 1．建立一个运动分析场景；

2．进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和 添加机构载荷；

3．进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运 动过程的控制；

4．运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。

下面重点介绍运动仿真过程： 1、连杆特性的建立

利用UG/Modeling的功能建立了一个三维实体模型后，并不能直接运动起来，必须给各个部件赋予一定的运动学特性，即让其成为一个可以与别的有着相同的特性的部件之间相连接的连杆构件（Link）。

定义连杆其实就是把几个结构件定义为具有相同运动特性的整体。 根据实际设计要求，定义连杆如下： 基座和柄——连杆001（L001）；

电机、电机前壳、电机后盖、叶片前罩、叶片后罩——连杆002（L002）； 电机旋转轴、风扇叶片——连杆003（L003）； 控制轴——连杆004（L004）； 齿轮Z36——连杆005（L005）； 连杆——连杆006（L006）；

2、运动副的建立

两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接称为运动副。根据运动副的定义，建立摇头风扇的运动副如下：

运动副J001：操作连杆L001——固定构件——无基本连杆

运动副J002：操作连杆L003——旋转副——恒定转速800rev/min 运动副J003：操作连杆L004——旋转副——基本连杆为L002 运动副J004：操作连杆L005——旋转副——基本连杆为L002 运动副J005：操作连杆L005——旋转副——基本啮合连杆为L006 运动副J006：操作连杆L002——旋转副——无基本连杆 运动副J007：操作连杆L001——旋转副——基本连杆L006

齿轮副J008：第一个运动副J002——第二个运动副J003——比率为0.1000 齿轮副J009：第一个运动副J003——第二个运动副J004——比率为0.3000 其他参数根据实际模型确定

3、机构载荷的确定——电机轴驱动力的确定 为了简化仿真流程，忽略模型其他结构件所受的力和扭矩，只考虑关键部件的受力情况即风扇电机轴的受力，参考前面的风扇设计参数，电机的输出功率为55W，风扇叶片的设计转速为800rev/min。

根据转矩与输出功率、输出转速的关系式：

m9550N(Nm)n

其中N的单位为kW，n的单位为rev/min，m的单位为N*m

确定加载在电机轴上的转矩为

m9550N0.055(Nm)9550(Nm)0.6566(Nm) n8004、运动仿真过程的实现

4-1 设置运动仿真的参数

4-2 运动仿真过程的动画输出及控制

全程控制按钮（Full Range） 单击该按钮可以查看运动模型在设定的时间和步骤内的整个连续的运动过程，在绘图区

以动画的形式输出。

前进控制按钮（Step Forward） 单击该按钮可以使运动模型在设定的时间和步骤限制范围内向前运动一步，方便用户查

看运动模型下一个运动步骤的状态。 后退控制按钮（Step Forward） 单击该按钮可以使运动模型在设定的时间和步骤限制范围内向后运动一步，方便用户查

看运动模型上一个运动步骤的状态。 􀎾计位置按钮（Design Position） 单击该按钮后可以使运动模型回到未进行运动仿真前置处理的初始三维实体设计状态。

装配位置按钮（Assembly Position）

单击该按钮后可以使运动模型回到进行了运动仿真前置处理后的ADAMS 运动分析模型的状态。

4-3 运动仿真过程的跟踪记录 4-4 运动仿真动画文件输出

详情请观看摇头风扇动画展示。 4-5 运动分析结果的图表输出

图表-1：电机轴受到的转矩随时间的变化曲线

利用峰值探测工具可以得到转矩最大值为1125N*mm（可以为之后的ANSYS提供数据参考）

图表-2：电机轴受到的力幅值随时间的变化曲线

图表-3：风扇头位移随时间变化曲线

由图表可知，摇头风扇最大的吹风范围为90度

图表-4：摇头风扇转向速度随时间变化曲线

图表-5：连杆受到的力随时间变化曲线

图表-6：控制轴受到的转矩随时间变化曲线 控制轴受到的转矩最大值：28.2N*mm

图表-7：齿轮Z36受到的转矩随时间变化曲线 齿轮Z36受到的转矩最大值223.3N*mm

五、ANSYS齿轮Z36静力学分析

1、根据UG运动仿真之后得出来的转矩和集中力的值，选择最大的值加载在齿轮Z36相应位置上面，得出齿轮最大的应力值为10.426MPa，其模型树状图和应力云图如下所示

六、ANSYS控制轴静力学分析 1、根据UG仿真分析的结果，选择控制轴的材料为铝合金和工程塑料，将相关数据加载到齿轮相应位置上，得出应力最大值为35.12MPa，其模型树状图及应力云图如下：

七、ANSYS连杆静力学分析和疲劳分析

连杆初选材料为铝合金，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料。

根据UG运动仿真中连杆在X和Y方向上受到的转矩情况，将幅值最大的转矩分解为X和Y方向上的转矩值加载到连杆的对应位置上面，得出连杆的静力学特性，其模型树状图和应力、变形云图如下所示

连杆疲劳分析：初始定义参数如下

连杆安全系数：取设计寿命为1.e+006 cycles，结果显示最低安全系数为2.077，满足寿命要求，其安全系数分布云图如下：

疲劳敏感度：疲劳敏感度初始参数设置如下

疲劳敏感度曲线如下：最小基本载荷变化幅度为50%和一个最大基本载荷变化幅度为200%的疲劳敏感性结果

画出双轴指示结果“BiaxialityIndication”：

八、叶片ANSYS仿真与优化 1、叶片模型初步静力学分析

叶片材料选为聚碳酸酯，（PC）既具有类似有色金属的强度，同时又兼备延展性及强韧性，它的冲击强度极高，用铁锤敲击不能被破坏，能经受住电视机荧光屏的爆炸。聚碳酸酯的透明度又极好，并可施以任何着色。由于聚碳酸酯的上述优良性能，已被广泛用于各种安全灯罩、风扇叶片、信号灯，体育馆、体育场的透明防护板，采光玻璃，高层建筑玻璃，汽车反射镜、挡风玻璃板，飞机座舱玻璃，摩托车驾驶安全帽等。

对叶片初步模型进行ANSYS静力学分析，得出结果叶片在与中间叶轮轮毂连接处出现应力集中，最大等效应力值为14.092MPa，其应力分布云图如下：

2、叶片模型初步模态分析

模态分析简介：模态这个概念一般是在振动领域所用，可以初步的理解为振动状态，我们都知道每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性。一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型或主振型；二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现，此时的振动外形叫做二阶振型，以依次类推。 一般来讲，外界激励的频率非常复杂，物体在这种复杂的外界激励下的振动反应是各阶振型的复合。

模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析

本文对叶片初步模型进行有预应力的6阶模态分析，其等效应力云图如下所示：

叶片的固有振动频率如下所示：

Mode 1 2 3 4 5 6

画出折线图如下：

1 2 3 4 5 6

Frequency [Hz] 16.385 54.708 55.871 61.118 168.29 171.08

分析说明：摇头风扇电机输出功率为55W，设计转速为800rev/min，根据频率与转速的关系式得出风扇电机轴在工作时的工作频率为：fn800*3/60rev/s40rev/s，由上表可知这跟叶片的固有振动频率相互错开，避免共振现象的产生。

3、叶片模型的优化及静力学分析

综合叶片初步分析的结果，发现叶片在其与轮毂接触的地方容易造成应力集中，影响叶片的使用寿命；因此我们根据叶片在实际生产过程中的工艺过程，对叶片与轮毂相连接的地方进行焊接处理，使得叶片与轮毂之间接触的地方平滑过渡，以便减少应力集中，最终经过优化之后的模型图和静力学分析的等效应力分布云图如下所示，由图可看出最大等效应力值为8.318MPa，明显降低。

4、叶片模型模态分析

对叶片改善后的模型进行有预应力的模态分析，得出叶片的固有振动频率如下表所示：

Mode Frequen

cy [Hz]

1 1 25.257 2 2 74.045 3 3 76.326 4 4 84.952 5 5 275.35 6 6 280.02

画出折线图如下：

分析说明： 对于回转结构来讲，其固有频率如果同系统的回转所产生的激振频率重合或相近，将会引起结构的共振，结果会使结构的振动加大，导致诸多不良的后果。所以有必要对叶片的共振特性进行分析研究。风扇叶片的设计转速为800r／min，叶片个数为3个，可以得出叶轮对叶片的激振频率为fn8003rev/s40rev/s40Hz，因为激振频率60为低价频率的整数倍，所以叶片的的激振频率约为40Hz的整数倍段频率，从上表中得到只有第6阶固有频率和40Hz的某一倍数相距较近，可能会产生共振现象。 通过对风扇叶片的振动特性分析，在旋转离心力带来预应力的作用下，其模态频率与对应振型会发生较大的改变，因此在生产设计中应予以考虑叶片固有频率与振型的变化。可以通过调整叶片材料的密度、弹性模量、泊松比等参数来调节叶片的激励频率，还可以合理调整叶片外形也可以达到调整激励频率的目的。由于课程设计的时间比较紧，所以我们小组决定课后再对此问题进行深入研究。

画出叶片的等效应力云图（2阶模态）如下：

模态分析中叶片的各阶固有振动频率对应的位移云图（默认按阶数从小到大排列）如下：

5、叶片的随机振动分析

随着风扇使用年限的增加，如果叶片存在严重的松动，叶片在运行过程中频谱可能会产生很多随机振动频率。因此，有必要对叶片做随机振动分析，以便观察在随机频率作用下叶片的变形以及应力集中情况，进而对叶片的结构改进提出相关合理性的建议。加载在叶片的功率谱密度值如下表：

FrequenG

cy [Hz] Acceleration

[G2/Hz]

1 100 2.00E-02 2 400 6.00E-02

3 1200 6.00E-02 4 1800 2.00E-02

随机振动分析结果应力分布云图如下，在上述随机振动载荷的作用下叶片最大的等效应力为0.479MPa。

在Z方向上的位移云图如下：

叶片谐响应分析结果应力云图：

6、风扇平稳运行时叶片的流固耦合分析

风扇叶片在正常工作过程中会使周围的空气流动，空气的流动反过来又会影响风扇叶片的受力情况，因此有必要对风扇叶片进行流固耦合分析：

首先在建模和条件设置方面要按照这样的设置顺序：

(1)选取流体单元，建立流体模型，流场模型包括静止域和旋转域，注意此处挖去固体所占的空间，然后分区划分流体场网格，注意靠近挖去空间的部分网格应该细小些。

(2)流体场模型建立完成后，首先要在流固耦合的边界上施加流体耦合标签FSI，然后在流体场区域施加必要的边界条件，诸如速度、压力等等。 (3)设置流固耦合属性，（看是固体推动流体还是流体推动固体），求解时间步长和求解时间，收敛准则，迭代次数等等。 (4)保存求解。

通过对风扇叶片静止域和旋转域设置合理的边界条件之后得出叶片在正常运转条件受到空气的压力分布云图如下所示，由图可看出风扇在正常工作条件下空气对叶片的压力值最大为57.55Pa。

对叶片进行流体分析完之后将数据导入叶片的静力学分析模块，最后得出叶片在正常运转条件下的等效应力分布云图，由图中可以看出，叶片的变形比较接近实际情况，最大等效应力为5.1959MPa，结果远远小于初选材料聚碳酸酯的最低强度值，达到设计和使用要求。聚碳酸酯的力学性能参数如下表所示：

7、风扇整体渲染效果图