基于ANSYS的电机转子的动力学分析

2017-03-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

1引言

转子动力学的研究,最早可追溯到十九世纪六十年代。一个多世纪以来,随着大工业的发展,转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中,在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。因而,转子动力学有着极强的工程应用背景,其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。

由于材质的不均匀,制造、加工及安装误差等,转子系统不可避免的存在着质量偏心,同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损和介质的姑附等现象,这些因素或多或少都会导致转子不平衡的增大从而使转子的不平衡振动增大。由过大的不平衡量引起的转子系统的振动是十分有害的,它使机械的效率降低、载荷增加,使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短寿命,较大的振动还会恶化操作人员的劳动环境,甚至会导致发生机毁人亡的严重事故。消除或者减小转子系统的振动首先考虑是对转子进行平衡。

现代工业上旋转机械单机容量在不断增大,而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。转子设计和发展的这种趋势对转子的质量不平衡提出了严格的限制。这种情况下,转子的动力学变得更加突出和重要。本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题,为转子动力学设计找到了一个新的途径。

2模型的建立及计算

如图1所示,为电子转子的有限元模型,使用BEAM188单元模拟转子的轴,使用MASS21单元模拟转子,使用单元COMBI214模拟轴承。

图1电机转子的有限元模型(不显示单元)

图2电机转子的有限元模型(显示单元)

图3给出了Beam188单元的几何简图。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛哥梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响。

Beam188是三维线性(2节点)或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度,自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)=0(缺省)时,每个节点有六个自由度;节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT(1)=1时,每个节点有七个自由度,这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。

当NLGEOM打开的时候,beam188的应力刚化,在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题(用弧长法)分析特征值屈曲和塌陷)。

Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite及secread定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型(不考虑横截面子模型)。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。

图4给出了COMBI214单元的几何简图。COMBI214是专门用来模拟轴承力学性质的单元,可以考虑拉压,但不能考虑弯曲和扭转。这个弹簧阻尼单元没有质量,如果需要质量则通过添加MASS21单元来实现。