ANSYS有限元软件在永磁磁路中的应用

1999年8月

α辽宁工学院学报

JOURNALOFLIAONINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

.19　No.4VolAug.

1999

文章编号:100521090(1999)0420031203

ANSYS有限元软件在永磁磁路中的应用宛剑业1,赵存根2(1.辽宁工学院机械与汽车工程系,辽宁锦州　121001;2.锦州筑路机械厂,辽宁锦州　121004)

摘　要:采用美国IMAG公司开发的一套大型ANSYS5.2有限元软件对一种新型永磁振动装置的磁路进行分析,并确定其形状和尺寸,求出最佳值。

关键词:振动钻削;永磁材料;磁路;有限元中图分类号:TP319∶O441　　　文献标识码:A

设计磁性器件,除选择合适的材料之外,还要求适合某种特殊用途的磁路。一般而言,磁

路的分析、计算应当包括铁磁材料及非铁磁材料的整个空间区域的场分析。对于磁通是无“绝缘”可言的,所以磁路实际上是一种分布参数性质的“路”。其计算十分复杂,为了逼近实际磁路,若无计算机的帮助,其计算量相当大,对于磁系统结构复杂、气隙较大及磁路中的铁磁材料较饱和时,尤为突出。

由美国IMAG公司提供的一套大型ANSYS5.2有限元软件,为本文应用有限元技术进行永磁振动装置的磁路设计提供了强有力的研究平台。

1　建模依据

要分析永磁振动装置的磁路,必须首先建立该装置的实体模型,建模依据ANSYS程序中所用的动力分析类型,基于下述有限元系统的通用运动方程:

β}+[C]{uα[M]{u}+[K]{u}={F(t)}

β}是节点加速度向量;{uα其中　[M]是质量矩阵;[C]是阻尼矩阵;[K]是刚度矩阵;{u}是节

点速度向量;{u}是节点位移向量;{F}是载荷向量;(t)是时间。

利用该方程,ANSYS程序可求出具有惯性和阻尼影响的、在任意时刻t满足平衡方程的未知{u}值。关于时间的数值积分由Newmark直接积分完成。

谐波响应分析用于求解线性结构承受正弦变化载荷的响应,其控制方程是通用运动方程的特例,其中力函数{F(t)}是一个已知的时间函数,它以一个已知的幅值F、已知频率Ξ(和相位角Α)正弦地变化。

)+isin(Ξt+Α)]{F(t)}=F[cos(Ξt+Α

α

收稿日期:1999203201

基金项目:吉林省科委科研基金资助项目。

作者简介:宛剑业(19632),女(满族),辽宁葫芦岛人,辽宁工学院讲师,硕士。

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　　位移假定是在相同的Ξ下正弦地变化,(通过计算取Ξ=571.21󰃗s)但不需要在相位上与力函数相同。位移解可在给定的频率点。

2　ANSYS磁路分析

根据上述条件在ANSYS5.2软件上建立永磁振动装置的实体模型,如图1所示。在模型几何形状建立后,开始在感兴趣的位置设置关键点,以便在单元分析时进行有效控制定义所用材料特性及在几何模型上的贡献,确定单元属性,设置控制参数,控制生成所需的网格化有限元模型并进行调整。符合要求后对模型施加边界条件及约束方程,即可加载求解。

图1　永磁振动装置的实体模型图2　磁体网格自动划分图

2.1　单元的选择

根据实际结构特点进行单元类型选定,本文选取瞬态磁场分析,因而采用SOLLD96及PLANE53进行单元的划分,图2为磁体网格自动划分图,根据图2可实现对单元的自主控制。2.2　定义材料特性

本文采用四种材料:A1、A3钢、Nd-Fe-B,其中根据磁块的磁场取向不同分别定义做两种材料处理。材料特性除A1外均采用自定义方法。对于永磁材料需要两种材料特性:相对磁导率ur和矫顽力MGXX、MGYY、MGZZ.由于采用CGS单位制,因此ur=1,A1及空气的相对磁导率也为1.

2.3　对模型加载求解

ANSYS软件对磁分析来说,分析类型有:静

图3　体模型加戴图

态分析、谐波分析、瞬态分析。本文选用瞬态分析类型。

对于瞬态分析只能选择满秩全阶方法,并可采用波前求解器进行求解。载荷步选取自动时间步,然后对模型系统进行加载。图3为体模型加载图。

由于ANSYS软件有了强大的优化设计功能,还提供了四种工具:随机生成工具、搜索

1999年(总第68期)宛剑业等:ANSYS有限元软件在永磁磁路中的应用33

生成工具、因子计算工具、梯度工具。这四种工具可用于研究整个设计,或通过这些工具,可得到指定数目的可行设计组,并以此作为优化的初始解,寻找全局满意解。

本文采用ANSYS设计优化,将以永磁材料的形状尺寸作为设计变量,以动盘的位移作为状态变量,以永磁块的体积作为目标函数,具体做法如图4.在ANSYS设计优化中,为求出目标函数最小值,反复修订设计变量参数项(在定义好的工程准则内),于是得到最佳优化结构模型(图5).

图4　ANSYS设计优化框图图5　永磁振动装置的结构模型

3　结　束　语

本文首次将美国大型有限元软件ANSYS中的磁场分析模块,应用于永磁振动装置的磁路分析之中,所得的结果表明,本文的永磁振动装置的材料选取得当,磁路设计合理。

参　考　文　献

[1]　ANSYS,ELEMENTSMANUAL,1996

[2]　徐建铭.永磁磁体设计的新进展[M].北京:原子能科学技术出版社.

[3]　宛剑业.永磁振动钻削及其装置的研究[D].长春:吉林工业大学机械工程系,1997.

AnApplicationofANSYSFiniteElementSoftware

tothePermanent-MagneticMaterial

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WANJian2ye,ZHAOCun2gen

　　(1.MechanicalDesignandAutomobileEngineeringDept.inLiaoningInstituteofTechnology,Jinzhou121001,Chi2

na;2.JinZhouRoad2ConstructingMachineryPlant,Jinzhou121001,China)

Abstract:OnecompletesetofANSYS5.2finiteelementsoftwareoflargetypedevelopedbyAmericanIMAG,COisadoptedtoanalyzethemagneticcircuitsbuilt2ininanewtypeofapermanent2magneticdeviceunderoscillation.Asaresult,thedevice′sshapeanddi2mensionsaredetermined,withtheoptimumvaluesofboththeshapeanddimensionsbeingfoundherein.

Keywords:oscillationdrilling;permanent2magneticmaterials;magneticcircuits;finite

elementsoftware

责任编辑:孙　林