船舶柴油機電機模態(tài)研究

　　模態(tài)分析是研究結構動(dòng)力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域的應用，下面是小編搜集整理的船舶柴油機電機模態(tài)研究的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　摘要:為了在船舶柴油機附加電機設計階段就能預測電機的振動(dòng)水平，及在發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題時(shí)能提出合理的解決方案，對船舶柴油機附加電機進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化設計研究。對200kW柴油機的附加電機建立有限元模型，通過(guò)軟件ANSYS求解器進(jìn)行計算。計算結果與試驗結果的比較表明:該有限元計算方法有效，可為船舶柴油機附加電機的瞬態(tài)振動(dòng)分析、噪聲預測以及優(yōu)化設計提供技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞:柴油機;電機;有限元法;模態(tài)分析

　　引言

　　當今人們對減少噪聲污染的要求日益強烈[1];與此同時(shí)，現代電機正朝著(zhù)大電流高磁密的方向發(fā)展，使電機產(chǎn)生比較大的電磁噪聲。電機的振動(dòng)是造成電機噪聲的主要原因之一，并且電機振動(dòng)給電機-負載系統的安全可靠運行帶來(lái)很大的危害[2]。因此，有必要對電機振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。在大型交流電機的使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì )發(fā)生電機振動(dòng)嚴重超標的情況，如何在電機設計階段就能預測電機的振動(dòng)水平，或發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題時(shí)能提出合理的振動(dòng)解決方案，是電機生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題[3，4]。而如何準確地計算大型交流電機定子模態(tài)特性，以便進(jìn)行合理的結構設計，降低電機的振動(dòng)與噪聲水平是研究重點(diǎn)。本文對200kW柴油機的附加電機建立有限元模型，通過(guò)軟件ANSYS求解器進(jìn)行計算。該有限元模型不僅可應用于電機靜止狀態(tài)下模態(tài)的計算，也是電機工作狀態(tài)下相關(guān)有限元計算的基礎。采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

　　1、電機的模態(tài)分析

　　1.1模態(tài)分析理論

　　模態(tài)是機械結構的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數可以通過(guò)計算或者試驗分析得到，而計算或試驗過(guò)程就稱(chēng)為模態(tài)分析。根據振動(dòng)理論，多自由度系統以某個(gè)固有頻率振動(dòng)時(shí)所呈現出的振動(dòng)形態(tài)稱(chēng)為模態(tài)，此時(shí)各點(diǎn)位移存在一定的比例關(guān)系，稱(chēng)為固有振型。對于一個(gè)具有N自由度的線(xiàn)性系統[7]，其運動(dòng)微分方程:MX..+CX.+KX=F(t)(1)式中:M為質(zhì)量矩陣;K為剛度矩陣;X為位移向量;F(t)為作用力向量，t為時(shí)間;C為阻尼系數。當F(t)=0時(shí)，忽略阻尼C影響，方程變?yōu)?WX..+KX=0(2)自由振動(dòng)時(shí)結構上各點(diǎn)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各點(diǎn)位移X為:X=Φ-ejwt(3)由式(2)、(3)得:(K-ω2M)Φ=0(4)根據以上公式求出ω2和Φ，其中ω=2πf，f為頻率，求得的系統各階固有頻率便是模態(tài)頻率，固有振型便是模態(tài)振型。

　　1.2模型的建立

　　結構有限元網(wǎng)格的數量和質(zhì)量會(huì )影響仿真計算的計算規模和精確度。本文根據HyperMesh默認的網(wǎng)格質(zhì)量標準對電機進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于體網(wǎng)格都是在面網(wǎng)格的基礎上生成的，因此單元質(zhì)量的檢查主要是針對面網(wǎng)格進(jìn)行。劃分網(wǎng)格時(shí)要權衡計算精度及求解速度這兩方面的因素。在計算數據變化梯度較大的部位(如應力集中的地方)，采用比較密集的網(wǎng)格;在計算數據變化梯度小的部位則采用較稀疏的網(wǎng)格。具體如下:機座外殼采用節點(diǎn)耦合模擬焊接;端蓋與機座間、端蓋與軸承套之間以及軸承套與軸承內外蓋之間均采用ECV模擬螺栓連接;小側板與機座間采用Beam188單元模擬螺栓連接，螺栓孔以及壓縮錐之外的區域設置默認的接觸參數;定子鐵芯與機座間的接觸采用綁定接觸;定、轉子鐵芯和繞組采用節點(diǎn)位移耦合;定子端部繞組采用實(shí)體建模;滾動(dòng)軸承的建�；�于Hertz接觸理論和線(xiàn)性彈簧單元;軸承內圈和轉子軸、軸承外圈和軸承套采用MPC綁定接觸。電機的有限元模型如圖1所示。

　　1.3有限元模型的計算

　　將有限元模型導入到ANSYS中，設置求解類(lèi)型為模態(tài)分析，對其進(jìn)行計算。同時(shí)利用試驗的方法得到試驗結果，將仿真模態(tài)與試驗模態(tài)的前10階進(jìn)行對比，如圖2、3及圖4～13所示。由仿真結果與試驗結果對比可知:仿真計算所得的固有頻率與試驗值的相對誤差小于10.35%，結果較吻合;但是計算得出的模態(tài)振型幅值要高于試驗所得的模態(tài)振型幅值。從振型圖可以看出，電機的低階模態(tài)主要為驅動(dòng)端端蓋的呼吸模態(tài)、機座整體的左右擺動(dòng)和上下擺動(dòng)以及小側板的模態(tài)。其中整體模態(tài)振型的參與質(zhì)量和振動(dòng)能量均較大，特別是低階整體模態(tài)，需要重點(diǎn)關(guān)注，在優(yōu)化電機結構時(shí)，應使電機固有第一階振型(f=37.1Hz)為驅動(dòng)端端蓋呼吸模態(tài)和電機整體平動(dòng)。機座蓋板處基本沒(méi)有位移變化，這是由于驅動(dòng)端軸承是無(wú)擋圈的滾柱軸承，它主要承受徑向力，但是由于滾動(dòng)體與軸承的內外圈之間有油膜存在，使得滾動(dòng)體、油膜、內外圈之間存在一定的摩擦力，在軸向力沒(méi)有到達靜摩擦力的上限時(shí)，軸承所受的軸向力都可以由摩擦力抵消掉，因此會(huì )出現這種振型。第二階振型(f=68.8Hz)為電機整體左右平動(dòng)，并伴隨電機中部的一階左右彎曲振動(dòng)。整個(gè)電機的最大彎曲發(fā)生在機體中部側板，因此側板容易疲勞。在進(jìn)行振動(dòng)噪聲控制時(shí)，可針對具體情況增加側板的剛度，從而降低這部分的局部振動(dòng)。第三階振型(f=76.7Hz)為電機整體上下平動(dòng)，同時(shí)伴隨電機中部的一階上下彎曲振動(dòng)。整個(gè)電機的最大彎曲發(fā)生在機體中部頂板，因此頂板容易發(fā)生疲勞。第四、五、六階振型(f=114.4、112.6、115.5Hz)均發(fā)生在小側板，都是一階局部模態(tài)。由于它與機座接觸面積小，連接剛度較弱，且內外側沒(méi)有約束，所以會(huì )存在該階局部模態(tài)。在這幾階振型中，小側板變形較大。第七、八、九、十階振型(f=150.9、152.3、153、153.9Hz)為小側板二階局部模態(tài)。

　　2、誤差分析

　　有限元計算結果與試驗結果有差異的原因分析如下:

　　(1)約束條件之間的差別。在電機的測試試驗中，用彈性繩將機體懸掛起來(lái)，所選擇的彈性繩的剛度應使約束系統頻率小于機體的第一階固有頻率的1/5。實(shí)際試驗是一種近似的自由狀態(tài)，而計算時(shí)，不加任何約束，是理想的自由狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的差異會(huì )造成計算值與試驗值的偏差，但這種偏差很小。

　　(2)電機有限元模型經(jīng)過(guò)了結構簡(jiǎn)化，與實(shí)際電機有差別。

　　(3)電機結構可能存在非線(xiàn)性因素(如端蓋與主軸承蓋接觸處)，而計算時(shí)是按線(xiàn)性系統進(jìn)行線(xiàn)性求解的，會(huì )造成一些誤差;同時(shí)有限元方法本身也會(huì )產(chǎn)生離散誤差。

　　(4)據資料表明:電機在實(shí)際鑄造中，由于冷卻速度不同，可能導致材料特性，尤其是楊氏模量的不一致，而在計算時(shí)假定材料為均勻的，也會(huì )導致一些偏差。

　　(5)在一定頻率范圍內，理論分析的固有頻率數要多于測試結果。這主要是由于試驗時(shí)，為了識別電機的主要固有頻率，不可能布置太多測點(diǎn)，因而會(huì )測不到一些高階固有頻率和某些局部模態(tài)。

　　3、結論

　　(1)柴油機附加電機有限元計算結果與試驗結果誤差可接受，基本都在10%以?xún)�，表明電機有限元模型能較好地反映機體的動(dòng)態(tài)剛度特性，模型簡(jiǎn)化及處理較為合理。

　　(2)從附加電機的振型可以看出:存在大量局部模態(tài)，且比較密集。大量密集的固有頻率和振型位于電機側板、小側板等電機的薄弱部位，且模態(tài)振型非常相似。這是因為該電機采用大跨距的薄板殼和框梁結構，會(huì )存在大量非常密集的局部模態(tài)，且許多振型具有相似性，從理論和試驗分析都可以發(fā)現這樣的現象。

　　(3)本文建立的電機有限元模型還可用于其瞬態(tài)振動(dòng)分析、噪聲預測以及電機的優(yōu)化設計中。

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