基于ANSYS的電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究,最早可追溯到十九世紀(jì)六十年代。一個(gè)多世紀(jì)以來,隨著大工業(yè)的發(fā)展,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于包括燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)壓縮機(jī)等機(jī)械裝置中,在電力、航空、機(jī)械、化工、紡織等領(lǐng)域中起著非常重要的作用。因而,轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有著極強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,其相關(guān)的研究工作也越來越受到人們的重視。

由于材質(zhì)的不均勻,制造、加工及安裝誤差等,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不可避免的存在著質(zhì)量偏心,同時(shí)轉(zhuǎn)子在工作過程中還可能產(chǎn)生熱變形以及磨損和介質(zhì)的姑附等現(xiàn)象,這些因素或多或少都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡的增大從而使轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)增大。由過大的不平衡量引起的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)是十分有害的,它使機(jī)械的效率降低、載荷增加,使一些零部件易于磨損、疲勞而縮短壽命,較大的振動(dòng)還會(huì)惡化操作人員的勞動(dòng)環(huán)境,甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。消除或者減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)首先考慮是對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。

現(xiàn)代工業(yè)上旋轉(zhuǎn)機(jī)械單機(jī)容量在不斷增大,而轉(zhuǎn)子直徑不可能隨其容量的增大而按比例增大。高轉(zhuǎn)速輕結(jié)構(gòu)是近代高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展和設(shè)計(jì)趨勢(shì)。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和發(fā)展的這種趨勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡提出了嚴(yán)格的限制。這種情況下,轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)變得更加突出和重要。本文使用ansys研究了某電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)問題,為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)找到了一個(gè)新的途徑。

2模型的建立及計(jì)算

如圖1所示,為電子轉(zhuǎn)子的有限元模型,使用BEAM188單元模擬轉(zhuǎn)子的軸,使用MASS21單元模擬轉(zhuǎn)子,使用單元COMBI214模擬軸承。

基于ANSYS的電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析ansys分析圖片1

圖1電機(jī)轉(zhuǎn)子的有限元模型(不顯示單元)

基于ANSYS的電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析ansys分析圖片2

圖2電機(jī)轉(zhuǎn)子的有限元模型(顯示單元)

圖3給出了Beam188單元的幾何簡(jiǎn)圖。Beam188單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu),該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論,并考慮了剪切變形的影響。

Beam188是三維線性(2節(jié)點(diǎn))或者二次梁?jiǎn)卧Ｃ總€(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度,自由度的個(gè)數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當(dāng)KEYOPT(1)=0(缺省)時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度;節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT(1)=1時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度,這時(shí)引入了第七個(gè)自由度(橫截面的翹曲)。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和/并非線性大應(yīng)變問題。

當(dāng)NLGEOM打開的時(shí)候,beam188的應(yīng)力剛化,在任何分析中都是缺省項(xiàng)。應(yīng)力強(qiáng)化選項(xiàng)使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題(用弧長(zhǎng)法)分析特征值屈曲和塌陷)。

Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite及secread定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型(不考慮橫截面子模型)。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組和截面。

圖4給出了COMBI214單元的幾何簡(jiǎn)圖。COMBI214是專門用來模擬軸承力學(xué)性質(zhì)的單元,可以考慮拉壓,但不能考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)。這個(gè)彈簧阻尼單元沒有質(zhì)量,如果需要質(zhì)量則通過添加MASS21單元來實(shí)現(xiàn)。

基于ANSYS的電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析ansys圖片3

圖3BEAM188單元的幾何模型簡(jiǎn)圖

基于ANSYS的電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析ansys圖片4

圖4 COMBI214單元的幾何模型簡(jiǎn)圖

表1到表3分別給出了轉(zhuǎn)軸的計(jì)算參數(shù)和兩個(gè)軸承的計(jì)算參數(shù)。轉(zhuǎn)子外載荷為重力和扭矩。進(jìn)行諧響應(yīng)分析來找出電機(jī)轉(zhuǎn)子的共振頻率點(diǎn)。以便使轉(zhuǎn)子的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速避開此點(diǎn)。不考慮轉(zhuǎn)子加工的所引起的質(zhì)量偏心,而只考慮轉(zhuǎn)軸因受到重力而產(chǎn)生的偏心。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩的頻率從0變化到400Hz間隔為0.5Hz。