搜索ANSYS經(jīng)典界面對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子諧響應(yīng)分析
2016-12-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
【問題描述】
一個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)如圖所示
該電機(jī)含有兩個(gè)轉(zhuǎn)子:內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。
內(nèi)轉(zhuǎn)子是一根實(shí)心軸,較長;它的兩端通過軸承與機(jī)架相連;在兩端距離軸承不遠(yuǎn)的地方裝有兩個(gè)圓盤(圖中沒有繪制,在有限元分析中圓盤會(huì)用質(zhì)量單元表示),而且右邊的圓盤上存在不平衡質(zhì)量,該不平衡質(zhì)量產(chǎn)生了不平衡的力。
外轉(zhuǎn)子是一根空心軸,它套在內(nèi)轉(zhuǎn)子外面。外轉(zhuǎn)子的左端與機(jī)架通過軸承相連,右端面通過軸承與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接(圖中沒有表示出來)。在外轉(zhuǎn)子上也有兩個(gè)圓盤,這兩個(gè)圓盤不存在偏心質(zhì)量的問題。
內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是14000轉(zhuǎn)每分,而外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是21000轉(zhuǎn)每分。
所有的相關(guān)幾何尺寸,軸承的參數(shù),以及圓盤的質(zhì)量和慣性量,在下面建模的時(shí)候給出。
現(xiàn)在要對(duì)該雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)仿真,具體是做諧響應(yīng)分析,目的是考察:
(1)7號(hào)節(jié)點(diǎn)(內(nèi)轉(zhuǎn)子上)和12號(hào)節(jié)點(diǎn)(外轉(zhuǎn)子上)的幅值與頻率的關(guān)系圖。也就是要繪制這兩個(gè)點(diǎn)的幅頻關(guān)系曲線。
(2)在某一個(gè)給定頻率處的轉(zhuǎn)軸軌跡圖。
(3)在某一個(gè)給定頻率處轉(zhuǎn)軸的渦動(dòng)動(dòng)畫。
《注》該算例來自于ANSYS APDL轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)部分的幫助實(shí)例。
【范例說明】
給出本例子的目的,是想說明:
(1)如何用ANSYS經(jīng)典界面做轉(zhuǎn)子的諧響應(yīng)分析。
(2)如何對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的軸承建模。
(3)如何建模不平衡質(zhì)量。
【問題分析】
1. 對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子用梁?jiǎn)卧狟EAM188建模,對(duì)于外轉(zhuǎn)子也用BEAM188建模。由于這里涉及到圓盤的位置,集中質(zhì)量的位置,準(zhǔn)備用直接建模法。這就是說,先創(chuàng)建節(jié)點(diǎn),然后由節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建單元。
2. 對(duì)于4個(gè)軸承,使用COMBI214建模,該單元是二維的彈簧/阻尼單元,支持在兩個(gè)方向上定義剛度和阻尼特性。
3.對(duì)于4個(gè)圓盤,使用MASS21建模。質(zhì)點(diǎn)單元?jiǎng)?chuàng)建在相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸上,設(shè)置其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
4.由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同,需要分別定義兩個(gè)組件,并對(duì)每個(gè)組件給以不同的轉(zhuǎn)速。這兩個(gè)組件只包含軸以及軸上的集中質(zhì)量。
5.位移邊界條件的處理。
軸承是用COMBI214建模的,該單元有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)子軸上,另外一個(gè)在轉(zhuǎn)子軸外,對(duì)于轉(zhuǎn)子軸外的這個(gè)節(jié)點(diǎn)完全固定,以此來模擬機(jī)架。
此外,所有的節(jié)點(diǎn)都限制圍繞軸線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。以限制扭轉(zhuǎn)自由度。
5.對(duì)于不平衡力的處理?；趯?duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子右邊圓盤的偏心質(zhì)量的計(jì)算,得到不平衡力,把該不平衡力使用力的滑移定理移動(dòng)到軸上。因此直接在軸上施加集中力就可以表示該不平衡力。
6.分析設(shè)置。使用諧響應(yīng)分析方法,開啟科里奧利效應(yīng),并對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子組件施加不同的轉(zhuǎn)速,使用固定坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。
7.后處理。使用時(shí)間歷程后處理得到兩個(gè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線,使用通用后處理得到轉(zhuǎn)軸軌跡圖和渦動(dòng)動(dòng)畫。
8.關(guān)于GUI和命令方式的選擇。由于本算例過程相對(duì)復(fù)雜,如果用GUI方式,篇幅很長。本文準(zhǔn)備對(duì)重復(fù)的部分用命令方式,對(duì)簡(jiǎn)單的部分用GUI方式。對(duì)于命令方式,筆者會(huì)闡述該命令的含義,讀者只需要把相關(guān)的命令拷貝到ANSYS的命令窗口中執(zhí)行就好。
【求解過程】
一 建模
本部分的操作均用命令流的方式進(jìn)行。
進(jìn)入到前處理器
1. 定義材料屬性
在命令窗口輸入下列命令
mp,EX ,1,2.1e+11
mp,DENS,1,7800
mp,PRXY,1,0.3
上面三個(gè)命令分別定義了彈性模量,密度和泊松比。
即指定只有一種材料,該材料是鋼材。
2. 創(chuàng)建梁?jiǎn)卧⒍x截面
在命令窗口輸入下列命令
et,1,188,,,2
sectype,1,beam,csolid secdata,0.01524,32
sectype,2,beam,ctube secdata,0.0254,0.03048,32
第一行定義了單元BEAM188;
第二行定義了一種實(shí)心圓截面梁,代表內(nèi)轉(zhuǎn)子;
第三行定義了一種空心管截面梁,代表外轉(zhuǎn)子。
3. 創(chuàng)建質(zhì)量單元并定義其實(shí)常數(shù)
在命令窗口輸入下列命令
et,2,21
r,3,10.51,10.51,10.51,8.59e-2,4.295e-2,4.295e-2
r,4,7.01 ,7.01 ,7.01 ,4.29e-2,2.145e-2,2.145e-2
r,5,3.5 ,3.5 ,3.5 ,2.71e-2,1.355e-2,1.355e-2
r,6,7.01 ,7.01 ,7.01 ,6.78e-2,3.390e-2,3.390e-2
其中第一行定義了MASS21單元,用它來模擬圓盤。
接連下來的四行定義了四個(gè)圓盤的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
4. 創(chuàng)建軸承單元并定義實(shí)常數(shù)
在命令窗口輸入下列命令
et,3,214,,1
r,7 ,2.63e+7 ,2.63e+7
r,8 ,1.75e+7 ,1.75e+7
r,9 ,0.875e+7,0.875e+7
r,10,1.75e+7 ,1.75e+7
其中第一行定義了COMBI214軸承單元,用來模擬四個(gè)軸承
接連下來的四行定義了四個(gè)軸承的兩個(gè)方向的剛度。
此時(shí),如果打開實(shí)常數(shù)定義對(duì)話框
會(huì)發(fā)現(xiàn)該對(duì)話框中已經(jīng)有3-10的8個(gè)實(shí)常數(shù)集。
5. 創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子(梁?jiǎn)卧百|(zhì)量單元)并定義組件
(1)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子
在命令窗口輸入下列命令
n,1
n,2 ,0.0762
n,3 ,0.1524
n,4 ,0.2413
n,5 ,0.32385
n,6 ,0.4064
n,7 ,0.4572
n,8 ,0.508
用以代表內(nèi)轉(zhuǎn)子上的8個(gè)節(jié)點(diǎn)
此時(shí)主窗口中出現(xiàn)8個(gè)節(jié)點(diǎn)
繼續(xù)輸入
type,1
secn,1
e,1,2
egen,7,1,1
用BEAM188創(chuàng)建代表內(nèi)轉(zhuǎn)子的軸線。
并輸入
/PNUM,NODE,1
/PNUM,ELEM,1
/REPLOT
說明打開節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào)顯示
此時(shí)主窗口中出現(xiàn)了7個(gè)單元
(2)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上的圓盤
繼續(xù)輸入
type,2
real,3
e,2
創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上左邊的點(diǎn)質(zhì)量,表達(dá)左邊的圓盤
此時(shí)主窗口顯示
可見左邊的質(zhì)量單元已經(jīng)創(chuàng)建
繼續(xù)輸入
real,6
e,7
創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上右邊的點(diǎn)質(zhì)量,表達(dá)右邊的圓盤
此時(shí)主窗口顯示
可見右邊的質(zhì)量單元已經(jīng)創(chuàng)建
(3)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子組件
繼續(xù)輸入
cm,inSpool,elem
是說,把上面的所有單元放進(jìn)一個(gè)集合,該集合的名字是inSpool.
6. 創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子(梁?jiǎn)卧百|(zhì)量單元)并定義組件
(1)創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子
在命令窗口輸入下列命令
n,9 ,0.1524
n,10,0.2032
n,11,0.2794
n,12,0.3556
n,13,0.4064
用以代表外轉(zhuǎn)子上的8個(gè)節(jié)點(diǎn)
此時(shí)在原來節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上又增加了5個(gè)節(jié)點(diǎn)。主窗口中顯示如下
繼續(xù)輸入
type,1
secn,2
e,9,10
egen,4,1,10
用BEAM188創(chuàng)建代表外轉(zhuǎn)子的軸線。
此時(shí)主窗口中可以看到,新單元與內(nèi)轉(zhuǎn)子上的單元相重合了。
(2)創(chuàng)建質(zhì)量單元
繼續(xù)輸入
type,2
real,4
e,10
創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子上左邊的點(diǎn)質(zhì)量,表達(dá)左邊的圓盤
主窗口中已經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)新的點(diǎn)質(zhì)量單元
繼續(xù)輸入
real,5
e,12
創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子上右邊的點(diǎn)質(zhì)量,表達(dá)右邊的圓盤
主窗口中已經(jīng)又出現(xiàn)了一個(gè)新的點(diǎn)質(zhì)量單元
(3)定義外轉(zhuǎn)子組件
繼續(xù)輸入
esel,u,,,inSpool
cm,outSpool,elem
allsel
第一行是說明去掉內(nèi)轉(zhuǎn)子組件內(nèi)的所有單元
第二行創(chuàng)建一個(gè)集合,由于去掉了內(nèi)轉(zhuǎn)子上的所有單元,現(xiàn)在只留下外轉(zhuǎn)子上的所有單元。用這些單元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新組件outSpool
第三行說明選擇所有節(jié)點(diǎn),單元,以便下一步驟的操作
此時(shí)如果打開組件管理器
可以看到
這里面有了兩個(gè)組件。這兩個(gè)組件分別是內(nèi)轉(zhuǎn)子組件和外轉(zhuǎn)子組件。
7. 創(chuàng)建軸承
在命令窗口輸入下列命令
n,101, ,0.05
n,108,0.508 ,0.05
n,109,0.1524,0.05
用以表示三個(gè)軸承與機(jī)架的連接點(diǎn)。
此時(shí)主窗口顯示如下,說明已經(jīng)新創(chuàng)建了3個(gè)節(jié)點(diǎn),在主軸線上方。
繼續(xù)輸入
type,3
real,7
e,1,101
用于創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子左端的軸承
主窗口顯示如下,ANSYS用一根彈簧的模樣來表達(dá)該 軸承。
繼續(xù)輸入
real,8
e,9,109
用于創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子左端的軸承
此時(shí)主窗口中增加了一個(gè)軸承
繼續(xù)輸入
real,9
e,6,13
用于創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的那個(gè)軸承
此時(shí)主窗口中看不到變化。因?yàn)樵撦S承的兩個(gè)端點(diǎn)是共點(diǎn)的,彈簧長度是零,沒有辦法繪制圖例。
繼續(xù)輸入
real,10
e,8,108
用于創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子右端的軸承
此時(shí)主窗口中增加了一個(gè)軸承
至此,4個(gè)軸承創(chuàng)建結(jié)束
8. 設(shè)置位移邊界條件
(1)限制所有節(jié)點(diǎn)的繞軸扭轉(zhuǎn)的自由度
在命令窗口輸入下列命令
d,all,ux,,,,,rotx
說明要固定所有節(jié)點(diǎn)的ROTX自由度
主窗口中顯示如下
(2)固定三個(gè)軸承的機(jī)架端
在命令窗口輸入下列命令
d,101,all
d,108,all
d,109,all
說明要固定三個(gè)軸承的機(jī)架端節(jié)點(diǎn)的所有自由度。
可見主窗口中的三個(gè)軸承上端點(diǎn)被全固定。
9. 設(shè)置不平衡力
在命令窗口輸入下列命令
f0 = 70e-6
f,7,fy,f0
f,7,fz,,-f0
fini
第一行命令定義了一個(gè)變量f0,它表達(dá)的是不平衡力的大小
第二行,第三行分別施加Y,Z方向的不平衡力。
第四行說明退出前處理器。
主窗口中顯示如下
可見,在7號(hào)節(jié)點(diǎn)添加了一個(gè)力。
二 仿真
下面的操作使用GUI方式進(jìn)行。
1. 創(chuàng)建諧響應(yīng)分析類型,并設(shè)置其屬性
設(shè)置新分析類型是諧響應(yīng)分析
從下列菜單進(jìn)入
設(shè)置載荷步
即激勵(lì)頻率范圍是0-234hz,在該范圍內(nèi)劃分500子步,且激勵(lì)是階躍激勵(lì)形式。
從下列菜單進(jìn)入
設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼
即設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)是0.01.
2. 指定科里奧利效應(yīng)相關(guān)的選項(xiàng)
(1)打開科里奧利效應(yīng)開關(guān)
從下列菜單進(jìn)入
設(shè)置打開科里奧利效應(yīng),并設(shè)置計(jì)算的坐標(biāo)系是固定坐標(biāo)系。
(2)設(shè)置不平衡激勵(lì)的位置及頻率
從下列菜單進(jìn)入
設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)子上有不平衡激勵(lì),且激勵(lì)的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之間的比例是1.
(3)設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
從下列菜單進(jìn)入
設(shè)置如下
即內(nèi)轉(zhuǎn)子的速度是100rad/s
(4)設(shè)置外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
同樣,設(shè)置外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是150rad/s
(5)求解
<注釋>
在(二 仿真)中的窗口操作對(duì)應(yīng)的命令如下
/SOLU
antype,harmic
nsubst,500
harfrq,,14000/60
kbc,1
dmpstr,0.01
coriolis,on,,,on
synchro,1,inSpool
cmomega,inSpool,100.
cmomega,outSpool,150.
第1行說明是進(jìn)入求解器
第2行說明進(jìn)行諧響應(yīng)分析
第3行說明設(shè)置載荷子步為500
第4行說明激勵(lì)的頻率范圍
第5行說明結(jié)構(gòu)阻尼是0.01
上面指明的是諧響應(yīng)分析的相關(guān)選項(xiàng)
第6行說明打開科里奧利效應(yīng)
第7行說明不平衡激勵(lì)出現(xiàn)在內(nèi)轉(zhuǎn)子上,且頻率比是1
第8-9行說明內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
可見,命令流比GUI操作簡(jiǎn)單清晰。下面的后處理繼續(xù)用命令流來操作。
三 后處理
1. 繪制內(nèi)轉(zhuǎn)子上的7號(hào)節(jié)點(diǎn)和外轉(zhuǎn)子上的12號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅頻響應(yīng)曲線。
本步驟要得到下列兩個(gè)點(diǎn)的幅頻響應(yīng)曲線。
這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是圓盤所在處
其中,7號(hào)節(jié)點(diǎn)的圓盤存在偏心,而12號(hào)節(jié)點(diǎn)的圓盤沒有偏心。
首先在命令窗口輸入
/POST26
說明進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器。
(1)創(chuàng)建7號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅值變量
在命令窗口輸入
nsol,2,7,U,Y,UY
nsol,3,7,U,Z,UZ
指明用變量2存儲(chǔ)7號(hào)節(jié)點(diǎn)的UY位移,
變量3存儲(chǔ)7號(hào)節(jié)點(diǎn)的UZ位移,
這兩個(gè)變量2,3都是復(fù)數(shù)型變量。
繼續(xù)輸入
realvar,4,2,,,UYR
realvar,5,3,,,UZR
指明用變量4存儲(chǔ)7號(hào)節(jié)點(diǎn)的UY位移的實(shí)部,并將該變量命名為UYR
用變量5存儲(chǔ)7號(hào)節(jié)點(diǎn)的UZ位移的實(shí)部,并將該變量命名為UZR
繼續(xù)輸入
prod,6,4,4,,UYR_2
prod,7,5,5,,UZR_2
指明變量4平方得到變量6,并將變量6命名為UYR_2
變量5平方得到變量7,并將變量7命名為UZR_2
繼續(xù)輸入
add,8,6,7,,UYR_2+UZR_2
sqrt,9,8,,,AMPL7
指明將變量6,變量7相加得到變量8
然后將變量8開方得到變量9,則變量9就是7號(hào)節(jié)點(diǎn)的振幅。
(2)創(chuàng)建12號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅值變量
繼續(xù)輸入
nsol,2,12,U,Y,UY
nsol,3,12,U,Z,UZ
realvar,4,2,,,UYR
realvar,5,3,,,UZR
prod,6,4,4,,UYR_2
prod,7,5,5,,UZR_2
add,8,6,7,,UYR_2+UZR_2
sqrt,10,8,,,AMPL12
上述命令的含義與前面一樣,不再啰嗦。其目的是得到12號(hào)節(jié)點(diǎn)的振幅變量。這個(gè)變量是變量10.
(3)繪制7,12號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線
繼續(xù)輸入
/gropt,logy,1
/yrange,1.e-7,1.e-3
plvar,9,10
fini
第1,2行是為下面的畫圖做準(zhǔn)備
第1行說明下面圖形的Y軸使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)
第2行說明了Y軸幅值的范圍
第3行是繪制9,10兩個(gè)變量的曲線,縱坐標(biāo)是這兩個(gè)變量值,橫坐標(biāo)是頻率。
第4行是退出時(shí)間歷程后處理器。
在執(zhí)行完上述命令后,主窗口中顯示如下
從該圖可以看出,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均在125HZ,200HZ處有一個(gè)峰值。這應(yīng)該是對(duì)應(yīng)于軸的兩階固有頻率處。
2. 繪制軸線的運(yùn)動(dòng)軌跡特性
繼續(xù)輸入
/POST1
set,1,262
/view,,1,1,1
plorb
其中第1行說明進(jìn)入通用后處理
第2行說明要看262個(gè)子步的結(jié)果
第3行表明視圖的方向
第四行繪制軸線的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線
命令執(zhí)行后主窗口顯示如下
該圖形描述了內(nèi)外轉(zhuǎn)子上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都是一個(gè)橢圓。
3. 動(dòng)畫顯示軌跡
繼續(xù)輸入
SET,1,500
/eshape,1
/gline,,-1
plnsol,u,sum
anharm
其含義是
第1行:選擇第500個(gè)載荷步,這是最后一個(gè)載荷步的結(jié)果。
第2行:說明對(duì)于內(nèi)外轉(zhuǎn)子,顯示其截面
第3行:指明單元的外廓不顯示。
第4行:把結(jié)果顯示為連續(xù)的云圖
第5行:這是核心命令,把該載荷步的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)畫顯示
則主窗口開始顯示轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)畫
這是某一個(gè)時(shí)刻的截圖
另外一個(gè)時(shí)刻的截圖
由此可以看到在某個(gè)頻率處該電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況。
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