一、案例背景

轉輪高速旋轉會產生離心力，不僅影響轉輪自身的結構強度，還關系到整機穩定性。因此設計時會用計算機軟件對轉輪進行靜力學分析，確保其強度達標，同時還要進行模態分析，算出固有頻率，避免發生共振。

本案例需要的輸入文件和參數信息如下表：

圖1 幾何模型

二、導入幾何

a. 啟動AIFEM 2024R1；

b. 在窗口左側點擊+新建方案， 自定義文件的保存路徑，并填寫文件名“轉輪”，點擊保存

圖2 新建方案

c.點擊工具條上的幾何>導入，彈出“導入幾何”彈窗，選擇安裝目錄案例集文件夾下對應的幾何文件Rotor.step，導入到新模型，模型名稱Rotor，點擊導入。

圖3  幾何導入

三、劃分網絡

a. 順著左側功能樹從上到下操作，就能完成整個設置。功能樹前有提示圖標，紅色代表必須要設置，綠色空心代表可選擇設置，不設置也能求解，綠色對鉤代表已設置完成，且設置正確；

圖4 功能樹圖標設置

b.點擊網格處的加號，選四面體網格，對象選擇整個模型。單元階次設為二階，提高求解精度。全局網格尺寸設為2mm，其余保持默認，點擊生成。

圖5 網格劃分

四、材料選擇

a. 選擇材料。轉輪材料是鋼，點擊材料庫圖標，選擇鋼，確定。

圖6 材料選擇

五、賦予屬性

a.點擊加號，固體屬性，對象選擇整個模型，下面材料已經默認選擇了我們剛從材料庫中指定的鋼，確定。

圖7 固體屬性

六、分析設定

a. 點擊加號新增，分析類型選結構分析；

圖8 新增分析

b.我們這個案例要做兩個分析，一個是靜力分析，一個是模態分析，所以子分析步就有2個；首先設置靜力，子分析步選靜力，點繼續；

圖9 新增分析

c. 設置子分析步，第一個線性攝動是為了研究模型在小擾動下的響應，這種分析不會改變包含模態在內的模型狀態。第二個子分析模態分析，是要算出轉輪在離心力作用下的模態，不能忽視預應力對轉輪剛度和模態的影響，所以靜力分析時就不能做線性簡化了，這里選“幾何非線性”，它是符合實際情況的未做簡化的選項。確定；

圖10 設置子分析步

d.增加第二個子分析，模態分析。點擊子分析步后點加號，模態；

圖11 模態分析

e.理論上一個物體的模態有無數個，但工程中一般只求解關注的頻率范圍內的模態，模態求解可通過三個參數設置，給定階數、最大頻率、最小頻率；最小頻率選填，如不填寫默認從0HZ開始求解，最大頻率和給定階數必須填一個，若同時填寫，滿足其中任意一個時求解器就停止。這個案例我們求解前12階。

圖12 模態分析

七、邊界條件設置

a. 根據轉輪的工作情況固定相應的面。轉輪中間的孔和軸連在一起，是固定的，所以需要將孔的面設為固定面；

圖13 邊界條件設置

b.點擊邊界條件后的加號，位移/旋轉，對象選擇孔的所有面，注意別遺漏，點擊位移的X/Y/Z方向，保持默認的0，確定。

圖14 邊界條件設置

八、載荷設置

a.零件載荷主要是高速旋轉產生的離心力。點擊加號，點擊旋轉慣性力，對象選擇整個零件；

圖15 載荷設置

b. 然后定方向，旋轉方向在軟件中是用右手定則規定的，大拇指指向旋轉軸正方向，四指彎曲方向即為旋轉方向。這個轉輪的旋轉方向在當前視角下是順時針的，使用右手定則，旋轉軸方向應為z軸正方向，它工作時的轉速為每秒鐘166轉，確定。

圖16 載荷設置

九、運行求解

a. 雙擊求解，保持默認設置，求解。

圖17 運行求解

十、查看結果

a. 默認顯示的是位移云圖，下方橫條前后兩部分代表了2個子分析步，點左箭頭跳到第1個子分析步看一下靜力，圖例顯示最大變形量是0.03779mm；

圖18 查看位移云圖

b. 云圖中可以看出最大變形位置在葉片的兩端；

圖19 查看位移云圖

c. 最大應力是191.6MPa，小于高強度鋼的屈服應力550Mpa，滿足強度要求；

圖20 查看應力云圖

d. 查看模態結果。點擊上方菜單欄結果處的“模態結果”，可以看到計算得出的零件前12階模態，包含我們關心的固有頻率等信息；

圖21 查看應力云圖

e. 點擊其中任一階，云圖會顯示該階模態對應的振型。有了這些頻率值，就可以評估轉輪的工作環境中是否有相同或相近頻率的外界激勵，如果有就可能發生共振。也就需要調整零件結構或者工作環境，避開共振。

圖22 查看模態結果