陆姐说：某电机转轴发生断裂，刘天师实验仿真验证这样做
导读：7个月前，12月28日19时，火箭工程师陆姐受邀在仿真秀平台，与陆姐说读者-星星充电的预研总监江丙云博士、某汽车主机厂高级工程师刘笑天和天津大学毕绍洋博士共同制作一期《我们眼中的仿真与试验对标》主题讲座，引发了工程师朋友们和理工科学子的共鸣和好评。
为此，我们陆续将本期讲座全部视频文字稿以连载文章的方式和读者共飨，欢迎点击文尾阅读原文与陆姐、毕博，刘工和江博留言和交流。以下是正文：
先前发布了：
[3]陆姐说：正确的仿真和正确的实验，对标带来新的发现-3
今天我们继续讲：
接上一篇。
主持人毕绍洋：我觉得对我们来说启发非常大。刚才我听陆姐讲到，把我们仿真人员逼到去亲自做实验这个事情，我觉得刘笑天老师一定有话要说，因为我记得他经常在群里边说，比如出现断裂，出现这个事故的时候，刘老师总是冲在第一线去拍照的，不知道刘笑天老师有没有一些故事给我们讲一讲。
刘笑天：是有的。虽然我们实验能力和人员都比较多一些，但是有的时候当真正问题出现的时候，总会有一名主责人去协调组织的。主责人就得是自己去协调，去发现问题，会分析问题。比如我觉得这东西失效模式可能是什么，可能的验证方法有哪些，现有的仿真、试验和检测可能可以做到什么效果，得到什么信息。应该用实验设备 a 去做一个工况w， 还是试验设备b 再去做实验c。你得去想明白这些，再去找对应的人，找对应的台架，找对应的设备，把这些东西梳理出来，再把测出来的东西做一个判断、思考、总结，发现跟它有关的问题。
所以我们做的仿真岗位不是简单的使用软件计算受力，而类似于侦探一样，通过各种证据、痕迹、理论判断、试验测试、性能检测、仿真分析等逐渐吧故障的过程和失效模式组成拼图，再借助汽车行业常用的各种质量工具形成完整的逻辑体系，最终解决故障并且防止其他产品再次出现类似失效。按照航天领域技术归零的总结就是：定位准确、机理清楚、故障复现、措施有效、举一反三。这也意味着只有进入相对合适的平台，才有足够的资源，去让你的验证优化能力，有决定性的提升。
一、某电机转轴发生了断裂
先说一个跟咱们主题和内容有关案例，2017 年我刚刚进入汽车行业的时候，遇到了一些问题。有次做一个实验中途，某个电机转轴发生了断裂，本来是电机的控制算法实验引起的外力，真因也是软件控制保护算法和实验操作者的问题。但是落地到现场就是机械部分断裂。既然是机械的问题，就让强度计算的去干了。当时遇到的问题，三相电机的其中一相有变化以后出现了新的载荷。根据实验条件，应该是一个脉动的，波动的载荷，这就是一个疲劳问题让它断了。但是当拿到实验台架自动记录数据的时候，发现扭矩的历史与转速的历史，几乎是一条平的线。从理论来讲，做这种实验一定是有波动的。后面对着实验室的门去听，做这个测试一定是有哐哐哐当响的节奏音的，但是实验台架它就没测出来。为什么？
后来才发现，是最开始用的台架太便宜了，也就三两百万。它传感器的精度不够，扫描频率很低，就记录不出来细节载荷的一个冲击的变化。这个类似在nvh岗位里面的数字信号处理理论中的采样定理。
后来就换了一个当时最贵的一个接近一千万的台架，他的扫描精度大概是十倍提升。做了一个相同的问题复现的实验。最后发现确实不一样，有情绪的扭矩波动数据了，并且波动的规律还是可以的，也符合电磁仿真的人的理论预测结果。这时候强度仿真就开始介入。根据电机轴的断裂形态估计断裂机理，而且汽车行业的质量工具有a3报告，里面为了帮助定位真因，就有个5w分析法。一步步的问为什么，找到影响这个问题的最核心最本质的点。后续再根据这个定位准确的真因。做试验做仿真做监测的验证。这也是我感觉加入汽车行业以后收获特别多的地方。就是人虽然是仿真岗位，但不单纯做仿真，也不单纯做实验，而是在合理的质量工具的流程、方法和思路的带动下，去思考质量故障出现的机理和检测验证的方案，从而把视角放开格局做大，不再拘泥于仿真本身的细节。甚至可以说，虽然从2011年学ansys到现在很多年，各种软件常用功能都会，但是从绝对的软件操作技巧层面我一定不厉害，甚至比不上很多刚毕业的硕士生。因为纯粹的软件操作，不会为产品质量提升创造多少价值；而应该是在质量提升的过程中提供助力，和产品出现各种匪夷所思的质量问题后，具有如何检查验证如何解决问题的能力。这些才是一个合格的cae工程师最核心的竞争力与战斗力。因为实验台架已经测出来载荷是多少了，根据载荷的历史也可以算出来它扭矩应该是多少，它的扭矩的变化率，也就是它的加速度应该是多少。反过来，把电机的几何模型拿过来，做强度分析，瞬态动力学还有静力学都去做。最后发现断裂的位置和断裂的趋势，跟断口实际的位置和趋势几乎是完全一样的。只不过可能具体的数量会有差异，就是寿命大小的值有差异。但至少进行问题定位，所谓航天质量双五条里面，“定位准确”还是没问题的。并且是有不同的断口的形式，裂纹的扩展的方式和位置，都仿真复现到实际断口的差不太多了。至此也实现了质量双五条里面的“机理清楚”。下一步怎么办？就要去优化，至少现在定位准确，在部件的根部的位置有应力集中，会有一个超载机理，就是疲劳问题。如何去进一步验证问题？一方面找了一台同类的友商产品，做了一遍类似的实验，在完成规定工况规定试验时间后，他们没断，我们的自己的断了。又回来根据仿真去对比，发现可能他们的花键稍微粗了一小点。因为看过机械设计手册也知道，扭矩产生的剪切应力，基本是跟半径的三次方关系。他们比我们粗了大概w%，载荷就对应少了3w%。使得他们没问题，我们的就坏掉了。因为汽车行业里有很多benchmark，就是看各种同行业产品的对标。后来就去找遍几乎手里所有的能找到的电机。汇总别人家的花键多长多宽，多大直径等参数是多少，对比一下，发现可能会总结出来一些规律。这里因为有技术机密，我不能说太多。而且我手里有劳动合同 合规条款 保密协议 敬业条款 股权激励协议 等一大堆东西限制着，不能说产品细节。其实这也引发我最近一两年的一个总结，就是真正的核心技术，一定是被保密协议层层防护的。后来根据对标数据，总结的出来一个规律。这种类型的问题的载荷，应该用什么样的花键的尺寸去设计有一个估算，这样后续比如还是航天的质量双五条里面的举一反三或者是问题固化。那个时候你就可以为后续其他产品的样件的概念设计阶段，告诉设计师，前期你要为了解决这个问题，花键总体的宏观尺寸，应该先定到什么范围之内，才能去保证进行这种实验可以通过。再往后，为了排查问题，又做了金相分析，断口分析、硬度检测、化学成分检测。整个全排查一遍，发现原始设计没问题，静态载荷没问题，常规的疲劳载荷没问题。但在某特殊工况的时候，它有了一个异常的超标的载荷。根据载荷我们再去看后续怎么改。仿真层面已经算出应力了，就再去算估计一下寿命，因为它不同工况下扭矩的历史和波动是不一样的。根据电磁计算的同事提供的规律，这些大概估计一下。做某个工况实验，只能是做多长时间。比如a转速下不超过 p分钟，b转速下不超过 i分钟，超过了它可能就会超寿命，会断了。我们就给实验的人，推荐每一个工况应该去做多少，要不就停，要不咱就换一台新的机器，接着做第二台。但是有时候试验就需要做很久怎么办？它既然有可能会有这么一个问题，我们就去减少应力，做强度优化。从设计角度来讲，转轴加粗肯定是很简单的。但是它会影响到轴承、油封、壳体、齿轮等等一大堆东西都要跟着改，对应了强度 寿命 nvh 等性能的改变和验证需求，成本实在太高了。
最后我们用的方法非常简单，就是花键加工工艺从a变成b工艺，这样只要换一个加工刀具，就可以让花键退槽的一个局部的形状，从一个a形状变成一个b形状，从而疏导了最大应力的传递的路径。还可以让其他宏观尺寸、设计什么全都不变，只改了这么一个槽，让最大应力减少了大概 1/ 4。如果有搞过疲劳的人们，应该知道应力降了 1/ 4 ，就可以让寿命会延长特别多。这个问题后续又做了一个www超载的实验，发现也没问题。并且用一个远大于咱正常实验时间的验证测试，还是没问题。好，问题固化。按照第一方面实验时间大概是多少，第二就是按照新的材料，一个新的设计去进行。同样的问题在航天领域，不是有质量归零嘛，就是举一反三，同类的所有的产品全排查一遍，是否满足刚才说的尺寸比例关系。再一方面，如果有可能改，后续全都改成工艺b，做成b造型的槽。这种问题以后全都封闭住了。第一个小故事先说这些，刚才陆姐说的尺寸问题。我再说一个小细节，也是跟流体有关的。因为我自己搞结构的，所以流体说一个小事儿。我以前设计过一台风冷的电动机。CFD工程师（朋友）因为从来没玩儿过散热风扇的气动设计。而我以前是核电站用空调设计工程师，就给他们推荐说，你这个东西得在电机转轴上，离心风机方案。因为离心风机压力大，它能把电机里面的那些气隙，薄薄的，零点几毫米的气隙对应的气流阻力给顶过去，它风才能循环吹过去。你要是没有压力，风扇光空转是没有用的，它没有循环风的形成，也就没有散热的一个路径。cfd 工程师，因为他从来没搞过这些，不知道轴流风机离心风机性能曲线到底差多少。因为轴流风机常规也就是 t帕左右的一个净压，离心达到 u帕 q帕没问题。拿它那个东西，它实现不了。从头到尾的一个风让它都顶过去，能穿过去。cfd工程师的方法是什么？整个电机开槽，前盖和后盖是露到外面空气里的，就像高铁的电机。这样会有清洁度的问题。外面沙子进来电机里全磨碎了。但是cfd工程师为了让它能散热，风能尽力出来，就只能用轴流方案。
我提的方案是用离心而且壳体全封闭的。虽然同类产品奥迪e-tron 还有宝马都有类似的。这样我就顶着跟cfd 说，你得按离心机去看。后来至少我给他设计了一个特别粗糙仅仅是概念设计阶段那种精度的模型，4 个叶片的。他们仿真以后发现确实可以，散热都没问题了。这是在宏观方法上方向性的，我可以把正确方向找对。第二角度问题怎么办？是降低噪音的时候，要需要用的。因为如果有 4 个叶片，纯 90 度排列，放在一起偶数的一个噪音是叠加的，这怎么办？因为自己也没搞过这些气动噪音的问题。用的最简单的方法就是，汽车行业告诉我们要有benchmark 对标。别人的虚假对标是bba怎么样我就怎么样。我对标的是武装直升机。因为我是军事爱好者，找了全世界所有的武装直升机，什么卡 52 直十，阿帕奇等等这些。就看它的直升机尾部桨叶的角度，跟刚才陆姐说的是相同的，对着照片用尺子量。当时就把所有的能找到的尽量正对于尾桨照片，角度越正越好。拿尺的对着照片开始量。好， a飞机35 度， b飞机55 度大概就是这个范围。我就在跟c f d 工程师说，总体方案确定以后，细节的叶片处，采用长短交替和尖端形状采用切角优，也可以进一步降低噪音。这也是找其他产品的仿真结果和结论参考后的设计。后来设计某电机时候，一方面参考了奥迪e-tron的长短叶片技术，一方面参考了thinkpad笔记本散热风扇的中心开槽的鹰翼技术，设计了新的循环离心散热风扇造型，实现了需要的噪音与散热性能，并且申请了新型专利。主持人毕绍洋：借鉴其他行业的经验，把它搬到汽车行业里。陆姐：你这么说，让我也插个花絮。想起我上本科的时候，我老师给我讲个故事。他去国外看国外的航空发动机，有个零件做得特别好，但是他又不能拿个尺子，也不能拿个相机拍，又不能拿尺子量，对吧？他迅速的从口袋里掏出一张白纸，摁到上头，拿铅笔在上头擦一下，擦过去就可以把零件拓到这张白纸上，拓下来了，回来以后我们照着那样做，很有意思。三、陆姐说·读者线上沙龙回放
在陆姐看来，“可靠的仿真可以发现一般实验的错误。一般的仿真与一般的实验互相无关。没谱的仿真可以用一般的实验纠错。”
7个月前，陆姐受邀在仿真秀平台，与陆姐说读者江丙云博士、刘笑天和毕绍洋博士等做一期《我们眼中的仿真与试验对标》为主题讲座，感兴趣的朋友可以扫码回放和留言哦。
直播大纲与内容
（完）
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