基于有限元方法的干扰磁场框架结构设计研究*

汤元会 施乐平 王晓国 刘 莹 牟仲稀 何浩源

(1.陕西省计量科学研究院，西安 710065；2.西安交通大学，西安 710049)

0 引言

在对电子产品或仪器做型式试验时，需要做抗磁场干扰试验。干扰磁场一般是在直径1m的圆形或方形框架上缠绕铜漆包线，通以50Hz工频交流电后产生400A/m强度的干扰磁场，将被测设备置于干扰磁场中，观察设备的功能是否正常，准确度、分辨力等技术指标是否有下降。

为了观察被测电子设备对来自不同方向干扰磁场的影响，我们设计了可转动式的fansilo线圈框架。由于框架不是静止的单一角度，是可转动的，因此，需要考虑在不同角度时框架的几何形变，并做强度验证。文中主要介绍用Solidworks对设计的框架进行三维建模过程，并运用Ansys分析软件进行仿真分析。

1 有限元方法及分析软件

有限元技术的广泛应用主要得益于计算机的发展和普及，其基本原理是将复杂问题离散为若干个称为有限元的小的互连子域，并对每个单元进行定义、分析，求其近似解，然后合成，得到复杂问题的近似解。当被求解单元足够小、各种条件都考虑到时，近似解就与实际情况高度吻合。

本文采用的ANSYS Workbench软件是ANSYS新一代的产品研发平台，它继承了ANSYS经典平台在有限元仿真分析的所有功能，而且提供了与许多主流CAD三维软件数据交流的接口，真正实现了集产品设计、仿真和优化于一体，弥补了传统ANSYS建模能力弱的缺陷，使得有限元分析从理论化逐渐工程化，大大缩减了设计人员的产品开发周期。

2 干扰磁场框架结构设计

本次设计的磁场框架材料为槽形框架，槽中用于安装产生磁场的铜线。根据设计要求，产生磁场的框架线圈边长是1m，两线圈之间距离为0.544m；按照电磁参数要求，单个线圈的铜线质量约3kg。考虑到方形框架便于加工，因此设计和仿真工作均围绕方形框架展开。

在选材方面，为避免框架带来干扰，经多方比较，决定选择玻璃钢作为主框架的材料。玻璃钢具有质轻、机械强度高、绝缘性能好的优点，而且可设计性好；滚动轴承选用全陶瓷球轴承；螺栓、定位销采用尼龙或聚碳酸脂；轴材料选用硬质杉木。

3 活动零部件的强度校核

在磁场框架中，旋转轴是个活动部件，因此，轴及轴承需要做强度和刚度校核。设计中的轴承内径为25mm，与之相连的轴选用硬质杉木，其详细参数见表1。

表1硬质杉木性能参数

一般对轴要进行三项强度校核：弯曲强度校核、剪切强度校核和抗压强度校核。

对轴进行受力分析，知道轴弯曲属于平面弯曲中的横向弯曲，横截面上同时有正应力与剪应力，正应力包括拉应力与压应力。由于轴截面为圆形截面，而圆形截面中性轴穿过形心，横截面最大压应力与最大拉应力相等。

轴及轴承强度校核结果如表2～表4所示。

表2两轴强度校核结果

表3内轴轴承(滚动轴承)强度校核结果

表4外轴轴承(滚动轴承)强度校核结果

从上述校核结果可以看出，轴及轴承均能很好地满足强度要求，结构设计较合理。

4 磁场框架刚度校核

磁场框架主要承受线圈及框架自身的重力，是一静载荷。本文运用ANSYS Workbench对整体框架进行静力学分析，研究其在重力作用下的受力及变形情况。通过静力分析，可以校核结构的刚度与强度是否满足设计要求。

4.1 三维建模

本文采用Solidworks软件进行了三维建模。建模时小尺寸的几何特征，如圆角、倒角等对强度的影响很小，但在ANSYS中会增加畸变网络的产生几率，增加计算时间，影响计算精度，建模时予以简化；另外为方便分析和计算，在将模型导入后屏蔽了销钉及螺栓、螺母等小零件。模型如图1所示。

图1 干扰磁场框架模型

总体框架材料选用玻璃钢型材，其性能参数如表5所示。

表5玻璃钢性能参数

4.2 网格划分

网格划分是有限元前处理的主要工作，是有限元分析的关键工作。网格划分如果太粗，则结果与设计会相差较大，划分太细又会使计算工作量太大，且没有必要。

本框架模型采用自动网格划分。另外考虑到轴是整个框架的薄弱环节，在进行网格划分时将其进行局部细分，以获得良好的仿真结果，取其单元大小为4mm。 复杂结构的单元类型选用带中间节点的四面体，优选Solid187。网格划分后，得到模型节点数230775个，单元数129235个。

4.3 施加力及边界条件

框架在如图2所示的状态时，水平框架受垂直向下的力最大，约为60N，此时水平框架的形变也最大。当框架旋转90°时，框架的受力方向和形变会相应变化。限于篇幅，本文主要进行图2状态的强度校核。

图2 施加的力及边界条件

4.4 求解及分析

经过网格划分和计算，得整体结构的变形及应力分布如图3、图4和图5所示。可以看出，内框架和外层支架基本没有形变，在中层框架有少许形变，其中最大变形只有0.6mm，远远低于不超过5mm的设计要求，所以，即使框架在转动时，也能满足设计要求；框架的最大受力发生在轴处，其最大主应力约为4.6MPa，最大剪应力为2.7MPa，亦能满足强度要求。

图3 结构整体变形

图4 主应力分布图

图5 剪应力分布图

5 结论

在本项目采用ANSYS Workbench软件对所设计的框架结构进行仿真模拟，验证了设计的机械强度和形变尺寸完全能够满足设计要求，为后续进行加工和装配提供了技术保证。

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