CN111079231A - 一种直线超声波电机多物理场综合设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直线超声波电机多物理场综合设计方法，包括以下步骤：将电振‑温度‑结构耦合设计问题解耦为电振‑结构、电振‑温度与温度‑结构三个双耦合设计问题，实现设计需求与计算效率的折中；采用有限元数值计算与响应面法相结合的手段，获得以电机结构多尺度尺寸参数为变量的定子模态特性解析表达函数簇，电机作动性能解析表达函数簇，关键部件最高温度、最大温差以及最大热应力解析表达函数，进而采用智能优化算法开展结构多尺度尺寸参数的精细化设计，大幅提升电机综合性能指标。本发明具有计算精度高、设计周期短、对工程师的经验依赖程度低，易于推广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声波电机技术领域，具体涉及一种直线超声波电机多物理场综合设计方法。
背景技术
直线超声波电机具有电磁电机不具备的诸多优点，已在医疗设备、航空航天、军事装备等领域取得重要应用。然而，由于高频交变电场激励、超声频机械共振以及定动子摩擦与冲击产生的复杂热-机-电耦合问题给直线超声波电机的优化设计带来严峻挑战，在电机基础设计与优化设计中应综合考虑电机结构多尺度尺寸参数对定子振动模态、电机作动性能、机械强度以及温升的影响。
现有直线超声波电机优化设计方法中存在的缺陷有：1)现有直线超声波电机优化设计多针对改善作动性能、温度、机械强度和定子振动模态等某一方面性能开展，未统筹考虑电机内部多物理场耦合下电机综合性能的优化；2)现有直线超声波电机多物理场设计方法中采用直接耦合分析法对电机进行多物理场耦合分析，运算量大，计算时间长；3)现有直线超声波电机设计方法多针对结构组件的宏观尺寸参数开展，未考虑结构件细观和微观尺寸参数的精细化设计。
发明内容
本发明所要解决的技术性问题是针对现有技术的上述不足，提供基于电振-温度-结构解耦的直线超声波电机多物理场综合设计方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种直线超声波电机多物理场综合设计方法，包括以下步骤：
(1)根据电机的实际应用场合与需求以及电机的额定参数，归纳出需要设计的直线超声波电机的基本性能指标，选择合适的定子构型；
(2)通过对直线超声波电机工作原理及其内部电场、温度场与结构场耦合关系的分析，将电机的多物理场设计问题转化为基于电振-温度-结构解耦的多物理场综合设计问题,并制定电机的多物理场综合性能指标；
(3)通过对电机结构参数进行敏感度分析，确定电机关键结构多尺度尺寸参数，并根据获取电机性能参数，归纳总结出以电机结构尺寸参数为变量的定子模态特性解析表达函数簇，电机作动性能解析表达函数簇，各部件最高温度、最大温差以及最大热应力解析表达函数；
结构组件多尺度结构尺寸参数变量：X＝(x1,x2,x3,······,xk)T；
定子模态特性函数簇：FM＝(fM1,fM2,fM3,······,fMm)T；
作动性能函数簇：FA＝(fA1,fA2,fA3,······,fAn)T；
关键部件最高工作温度变化函数：FT＝(fT1,fT2,fT3,······,fTr)T；
最大温差变化解析表达函数：FTD＝(fTD,fTD,fTD,······,fTDr)T；
最大热应力解析表达函数：FS＝(fS1,fS2,fS3,······,fSt)T；
(4)采用加权集合，将定子模态特性函数，电机作动性能参数函数，温度场分布函数，热应力函数集成为单一综合优化目标优化函数，其中加权因子λi满足
并根据应用需求和优化目标主次轻重分配不同的加权系数；
(5)通过智能优化算法计算找出最优解；
(6)按照得到最优解的结构尺寸变量完善电机整体设计方案；
(7)绘制电机各组件加工图，线切割模具，压电陶瓷配置、粘贴，预紧力施加，焊线，装配，试验测定定子模态特性、电机实际作动性能、温升性能、关键部位机械强度指标合格后，方案定型并批量生产。
步骤(2)中，所述基于电振-温度-结构解耦的多物理场综合设计包括电振-结构耦合设计、电振-温度耦合设计以及温度-结构耦合设计，具体包括如下步骤：
(21)电振-结构耦合设计：对定子进行模态分析和谐响应分析，判断是否满足定子模态特性的要求，若满足则进行有限元瞬态分析，对电机的作动性能进行设计，并进行下一步，若不满足，则返回步骤(2)；
(22)电振-温度耦合设计：考虑电机内部热-机-电耦合以及电机材料的温度依赖性建立整机的三维有限元全域温度场模型，进行稳态及瞬态温度场分析计算，完成对电机关键部位的温度校验；
(23)温度-结构耦合设计：将步骤(22)的温度场分析结果作为热载荷施加，并根据电机实际工作时对应的电学、力学和热学边界条件对电机进行全域稳态及瞬态热应力场分析，对电机关键部位的机械强度进行校验。
步骤(2)中，所述多物理场综合性能指标包括定子模态特性参数、电机作动性能参数、电机关键部位温度以及热应力。
所述步骤(21)中，电振-结构耦合设计，具体步骤如下：
(A1)确定电机结构尺寸参数，建立考虑夹持和定动子接触边界条件的整机有限元结构多尺度实体模型；
(B1)对定子进行模态敏感度分析，归纳出影响定子模态特性的结构组件关键尺寸参数；
(C1)根据定子的模态频率初步确定激励频率，施加激励电压进行定子响应分析；
(D1)计算定动子接触状态下定子驱动足的法向位移幅值和切向位移幅值；
(E1)构建电机平均推力解析模型：
其中，Fav表示电机平均推力；Fp表示施加的预紧力；μv,μs分别表示定动子接触界面粘性摩擦系数和静摩擦系数；
表示表征定动子微观接触面的等效刚度，其中非线性接触力P(d)可由弹塑性接触模型推导的解析表达式表示；d表示粗糙面平均法向距离，T表示定子一个振动周期；fd表示激励频率；Un表示定动子接触状态下定子驱动足的法向位移幅值；Ut表示定动子接触状态下定子驱动足的切向位移幅值。
所述步骤(22)中，电振-温度耦合设计，具体步骤如下：
(A2)建立考虑电机材料参数温度依赖性的整机三维有限元全域温度场模型；
(B2)在给定的初始温度和激励电压下计算电机内部的电场和结构场变量；
(C2)计算每个振动周期内电机内部产生的损耗，包括机械振动损耗，压电材料的介电损耗以及定动子之间的接触损耗；
(D2)计算电机温度，并将计算得到的电机节点温度值反馈到有限元模型中，根据电机材料的温度依赖性关系更新电机的材料参数，进行新一轮的迭代求解，实现电机的电振-温度耦合分析；
(E2)根据以上步骤进行迭代求解，直至满足设定的温度差值阈值；
(F2)根据计算所得的电机温度场分布以及电机的温度限制要求，检验电机是否满足温度设计要求，若满足则进行下一步的温度-解耦耦合设计，若不满足则返回至步骤(2)。
所述步骤(3)中，还包括确定函数基本约束条件为：作动性能高于原设计FA＞FAO，机械强度高于设计性能极限要求FS＞FSO，温度低于设计性能极限要求FT,FTD＜FTR。
所述步骤(5)中，采用混合智能优化算法寻找单一综合优化目标优化函数全局最优解，优化设计出电机综合性能统筹最优的结构组件尺寸；所述的智能优化算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、免疫算法。
由上述技术方案可知，本发明所述的直线超声波电机多物理场耦合设计方法，将直线超声波电机的电振-温度-结构多物理场耦合设计问题解耦为电振-结构、电振-温度与温度-结构耦合设计三个双耦合设计问题，实现设计需求与计算效率的折中；进行电机内部多物理场分析时，充分考虑了热-机-电耦合效应，相比于现有多物理场分析过程，大幅度提高了各项性能指标计算准确性；在电机基础设计与优化设计中统筹综合考虑电机结构多尺度尺寸参数对定子振动模态、电机作动性能、机械强度以及温升的影响，显著提高电机结构件尺寸优化设计目标群的科学合理性。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明电机的电振-结构耦合设计流程图；
图3是本发明电机的电振-温度耦合设计流程图；
图4是本发明的结构多尺度尺寸精细化优化设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-4所示，本实施例的直线超声波电机多物理场综合设计方法，具体包括如下步骤：
S1：定子构型选择，根据电机的实际应用场合与需求以及电机的额定参数，初步归纳出需要设计的直线超声波电机的基本性能指标以及体积、温度、机械强度等限制，从而选择合适的定子构型；
S2：电机结构初步设计，通过对直线超声波电机工作原理及其内部电场、温度场与结构场耦合关系的分析，将电振-温度-结构耦合设计问题解耦为电振-结构设计、电振-温度设计以及温度-结构设计三个双耦合设计问题，实现计算精度与运算效率的折中，以应用需求为目标对电机宏观结构尺寸参数进行初步设计，并对结构件材料进行合理选择与匹配；
S21：电机的电振-结构耦合设计，如图2所示，具体包括如下步骤：
利用有限元商业软件包括但不限于ANSYS软件建立考虑夹持和定动子接触边界条件的整机有限元结构多尺度实体模型，其中对定子、夹持部件、驱动足以及摩擦条采用实体单元建立细观尺度精细模型，对定动子接触界面采用节点移动法建立微观尺度精细模型，对直线运动平台(动子)采用整体单元建立宏观尺度整体模型；
对定子进行模态敏感度分析，归纳出影响定子模态特性的结构组件关键尺寸参数，并根据定子的模态频率初步确定激励频率fd；
结合额定参数对定子进行谐响应分析，计算定动子接触状态下定子驱动足的法向位移幅值Un和切向位移幅值Ut，再结合以下由定动子微观接触模型和库伦粘滑摩擦模型推导出的电机平均推力Fav的解析模型，以结构组件多尺度结构参数X＝(x1,x2,x3,······,xk)T为变量，对额定输出速度vr下的作动性能进行设计
其中，Fp表示施加的预紧力，μv,μs分别为定动子接触界面粘性摩擦系数和静摩擦系数，
为表征定动子微观接触面的等效刚度，其中非线性接触力P(d)可由弹塑性接触模型推导的解析表达式表示，d表示粗糙面平均法向距离，T表示定子一个振动周期；
电机的作动性能根据设计需求不同而有所侧重，包括但不限于最大推力FP(X)、最大推重比FW(X)、功率密度FD(X)、效率FE(X)。
S22：电机的电振-温度耦合设计，如图3所示，具体步骤如下：
利用有限元商业软件包括但不限于ANSYS软件建立考虑电机材料参数温度依赖性的整机三维有限元全域温度场模型，在给定的初始温度和激励电压下计算电机内部的电场和结构场变量：电场矢量E，位移矢量u，机械应变矢量S，机械应力矢量T以及电位移矢量D。
计算每个振动周期内电机内部产生的损耗，包括机械振动损耗Qm，压电材料的介电损耗Qd以及定动子之间的接触损耗(摩擦损耗与超声冲击损耗之和)Qc，三种损耗可分别由下面三个式子计算：
其中，Vp,Vs分别表示定子中压电陶瓷部件的总体积以及金属弹性基体的总体积，Q表示压电陶瓷的机械品质因数，cs表示金属基体的阻尼系数，Ui表示金属基体单元节点在i方向上的振幅，tanδ表示压电陶瓷的介电损耗因子，α,β分别表示由摩擦损耗和超声冲击损耗产生的热，相对于定子驱动足接触面一侧的热分配因子，Ff表示定动子之间的摩擦力，e表示碰撞恢复系数，m表示定子驱动足的质量。
将上述计算得到的机械振动损耗Qm，压电材料的介电损耗Qd作为体热载荷，而将定动子之间的接触损耗Qc作为面热源处理，进而利用如下电机传热方程及传热边界条件迭代计算电机温度，并将计算得到节点温度值反馈到有限元模型中，根据电机材料的温度依赖性关系更新电机的材料参数，进行新一轮的迭代求解，实现电机的电振-温度耦合分析。
其中，ρ表示材料密度，Cp表示材料比热容，k表示导热系数，h表示热对流系数，V表示电机体积，S表示电机表面与空气的接触部分的总表面积。
根据以上步骤进行迭代求解，直至满足设定的温度差值阈值，再根据计算所得的电机温度场分布以及电机的温度限制要求，检验电机是否满足温度设计要求，若满足则进行下一步的温度-解耦耦合设计，若不满足则返回至步骤S3，重新设计。
电机的温度分布根据实际应用场合和工作状态不同而选择不同组件优化设计，包括但不仅限于压电陶瓷最高温升FTp(X)，金属基体最高温升FTm(X)，驱动足最高温升FTm(X)，压电陶瓷最大温差FTpD(X)，金属基体最大温差FTmD(X)，驱动足最大温差FTmD(X)。
S23：电机的温度-结构耦合设计，具体步骤如下：
以步骤S22计算的温度场结果为热载荷，同时注意利用有限元自身的单元转换工具将热单元转换为与之对应的结构单元，使得分析能够在热、结构两个求解域中连续而稳定，这样才能实现温度载荷在结构上的顺利施加，再根据电机的额定电气参数给电机施加电学边界条件，对定子进行谐响应分析，得到电机各部分的热应力分布情况，从而根据电机关键部位的机械强度限制，检验电机是否满足机械强度设计的要求，若满足则进行下一步电机结构尺寸的精细化优化设计，若不满足则返回至步骤S21，重新设计。
电机各组件的机械强度根据实际应用场合和工作状态不同而选择不同组件优化设计，包括但不仅限于压电陶瓷最大热应力Fsp(X),夹持部件最大热应力Fsc(X),驱动足最大热应力Fsd(X)。
S3：基于智能算法的结构多尺度尺寸精细化优化设计，如图4所示，通过对电机结构的初步设计，归纳出需要优化的关键尺寸参数，再根据电振-温度-结构解耦的电机内部多物理场仿真计算，结合中心复合试验设计，建立电机响应变量与结构尺寸设计变量之间的响应面回归模型，实现优化模型的高精度和高计算效率；
确定函数基本约束条件为：作动性能高于原设计FA＞FAO，机械强度高于设计性能极限要求FS＞FSO，温度低于设计性能极限要求FT,FTD＜FTR；采用加权集合，将定子模态特性函数，电机作动性能参数函数，温度场分布函数，热应力函数集成为单一综合优化目标优化函数，其中加权因子λi满足
并根据应用需求和优化目标主次轻重分配不同的加权系数。
S4：采用混合智能优化算法寻找单一综合优化目标优化函数G全局最优解，优化设计出电机综合性能统筹最优的结构组件尺寸：
采用混合智能优化算法寻找最优解，提高全局寻优能力和收敛速度；所述的智能优化算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、免疫算法。
S5：按照最优解的结构参数完善电机整体设计方案，根据超声电机的加工工艺适当调整结构尺寸设计，并将优化调整后设计的电机的作动性能、温升、机械强度等指标与原设计方案指标进行对比，如未达到预期目标，则可通过调整加权因子重新进行优化设计，如达到预期性能提高效果，则确定设计方案；
S6：绘制电机各组件加工图，线切割模具，压电陶瓷配置、粘贴，预紧力施加，焊线，装配，试验测定定子模态特性、电机实际作动性能、温升性能、关键部位机械强度指标合格后，方案定型并批量生产。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)根据电机的实际应用场合与需求以及电机的额定参数，归纳出需要设计的直线超声波电机的基本性能指标，选择合适的定子构型；
(2)通过对直线超声波电机工作原理及其内部电场、温度场与结构场耦合关系的分析，将电机的多物理场设计问题转化为基于电振-温度-结构解耦的多物理场综合设计问题,并制定电机的多物理场综合性能指标；
(3)通过对电机结构参数进行敏感度分析，确定电机关键结构多尺度尺寸参数，并根据基于电振-温度-结构解耦的电机多物理场分析结果，归纳总结出以电机结构参数为变量的定子模态特性解析表达函数簇，电机作动性能解析表达函数簇，各部件最高温度、最大温差以及最大热应力解析表达函数；
(4)采用加权集合，将定子模态特性函数，电机作动性能参数函数，温度场分布函数，热应力函数集成为单一综合优化目标优化函数，其中加权因子λi满足
并根据应用需求和优化目标主次轻重分配不同的加权系数；
(5)通过智能优化算法计算找出最优解；
(6)按照得到最优解的结构尺寸变量完善电机整体设计方案；
(7)绘制电机各组件加工图，设定指标合格后，方案定型并批量生产。
2.根据权利要求1所述的直线超声波电机多物理场设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电振-温度-结构解耦多物理场综合设计，包括电振-结构耦合设计、电振-温度耦合设计以及温度-结构耦合设计，具体包括如下步骤：
(21)电振-结构耦合设计：对定子进行模态分析和谐响应分析，判断是否满足定子模态特性的要求，若满足则进行有限元瞬态分析，对电机的作动性能进行设计，并进行下一步，若不满足，则返回步骤(2)；
(22)电振-温度耦合设计：考虑电机内部热-机-电耦合以及电机材料的温度依赖性，建立整机的三维有限元全域温度场模型，进行稳态及瞬态温度场分析计算，完成对电机关键部位的温度校验；
(23)温度-结构耦合设计：将步骤(22)的温度场分析结果作为热载荷施加，并根据电机实际工作时对应的电学、力学和热学边界条件对电机进行全域稳态及瞬态热应力场分析，对电机关键部位的机械强度进行校验。
3.根据权利要求1所述的直线超声波电机多物理场设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述多物理场综合性能指标包括定子模态特性参数、电机作动性能参数、电机关键部位温度以及热应力。
4.根据权利要求2所述的直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于：步骤(21)中，所述电振-结构耦合设计，具体步骤如下：
(A1)确定电机结构尺寸参数，建立考虑夹持和定动子接触边界条件的整机有限元结构多尺度实体模型；
(B1)对定子进行模态敏感度分析，归纳出影响定子模态特性的结构组件关键尺寸参数；
(C1)根据定子的模态频率初步确定激励频率，施加激励电压进行定子响应分析；
(D1)计算定动子接触状态下定子驱动足的法向位移幅值和切向位移幅值；
(E1)构建电机平均推力解析模型：
其中，Fav表示电机平均推力；Fp表示施加的预紧力；μv,μs分别表示定动子接触界面粘性摩擦系数和静摩擦系数；
表示表征定动子微观接触面的等效刚度，其中非线性接触力P(d)可由弹塑性接触模型推导的解析表达式表示；d表示粗糙面平均法向距离，T表示定子一个振动周期；fd表示激励频率；Un表示定动子接触状态下定子驱动足的法向位移幅值；Ut表示定动子接触状态下定子驱动足的切向位移幅值。
5.根据权利要求2所述的直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于：步骤(22)中，所述电振-温度耦合设计，具体步骤如下：
(A2)建立考虑电机材料参数温度依赖性的整机三维有限元全域温度场模型；
(B2)在给定的初始温度和激励电压下计算电机内部的电场和结构场变量；
(C2)计算每个振动周期内电机内部产生的损耗，包括机械振动损耗，压电材料的介电损耗以及定动子之间的接触损耗；
(D2)计算电机温度，并将计算得到的电机节点温度值反馈到有限元模型中，根据电机材料的温度依赖性关系更新电机的材料参数，进行新一轮的迭代求解，实现电机的电振-温度耦合分析；
(E2)根据以上步骤进行迭代求解，直至满足设定的温度差值阈值；
(F2)根据计算所得的电机温度场分布以及电机的温度限制要求，检验电机是否满足温度设计要求，若满足则进行下一步的温度-结构耦合设计，若不满足则返回至步骤(2)。
6.根据权利要求1所述的直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于：
结构组件多尺度结构参数变量：X＝(x1,x2,x3,……,xk)T；
定子模态特性函数簇：FM＝(fM1,fM2,fM3,……,fMm)T；
作动性能函数簇：FA＝(fA1,fA2,fA3,……,fAn)T；
关键部件最高工作温度变化函数：FT＝(fT1,fT2,fT3,……,fTr)T；
最大温差变化解析表达函数：FTD＝(fTD,fTD,fTD,……,fTDr)T；
最大热应力解析表达函数：FS＝(fS1,fS2,fS3,……,fSt)T。
7.根据权利要求6所述的直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于：步骤(3)中，还包括确定函数基本约束条件为：作动性能高于原设计FA＞FAO，机械强度高于设计性能极限要求FS＞FSO，温度低于设计性能极限要求FT,FTD＜FTR。
8.根据权利要求1所述的直线超声波电机多物理场综合设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，采用混合智能优化算法寻找单一综合优化目标优化函数全局最优解，优化设计出电机综合性能统筹最优的结构组件尺寸；所述的智能优化算法包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法、免疫算法。
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2019
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