船舶柴油機(jī)電機(jī)模態(tài)研究

時(shí)間：2024-10-13 00:19:38 機(jī)電畢業(yè)論文我要投稿

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

船舶柴油機(jī)電機(jī)模態(tài)研究

　　摘要:為了在船舶柴油機(jī)附加電機(jī)設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)電機(jī)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(duì)船舶柴油機(jī)附加電機(jī)進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。對(duì)200kW柴油機(jī)的附加電機(jī)建立有限元模型，通過(guò)軟件ANSYS求解器進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明:該有限元計(jì)算方法有效，可為船舶柴油機(jī)附加電機(jī)的瞬態(tài)振動(dòng)分析、噪聲預(yù)測(cè)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞:柴油機(jī);電機(jī);有限元法;模態(tài)分析

　　引言

　　當(dāng)今人們對(duì)減少噪聲污染的要求日益強(qiáng)烈[1];與此同時(shí)，現(xiàn)代電機(jī)正朝著大電流高磁密的方向發(fā)展，使電機(jī)產(chǎn)生比較大的電磁噪聲。電機(jī)的振動(dòng)是造成電機(jī)噪聲的主要原因之一，并且電機(jī)振動(dòng)給電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)很大的危害[2]。因此，有必要對(duì)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。在大型交流電機(jī)的使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生電機(jī)振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)的情況，如何在電機(jī)設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)電機(jī)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(jī)生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題[3，4]。而如何準(zhǔn)確地計(jì)算大型交流電機(jī)定子模態(tài)特性，以便進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低電機(jī)的振動(dòng)與噪聲水平是研究重點(diǎn)。本文對(duì)200kW柴油機(jī)的附加電機(jī)建立有限元模型，通過(guò)軟件ANSYS求解器進(jìn)行計(jì)算。該有限元模型不僅可應(yīng)用于電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下模態(tài)的計(jì)算，也是電機(jī)工作狀態(tài)下相關(guān)有限元計(jì)算的基礎(chǔ)。采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

　　1、電機(jī)的模態(tài)分析

　　1.1模態(tài)分析理論

　　模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shù)可以通過(guò)計(jì)算或者試驗(yàn)分析得到，而計(jì)算或試驗(yàn)過(guò)程就稱(chēng)為模態(tài)分析。根據(jù)振動(dòng)理論，多自由度系統(tǒng)以某個(gè)固有頻率振動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)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(duì)于一個(gè)具有N自由度的線(xiàn)性系統(tǒng)[7]，其運(yùn)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(shù)。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(jù)以上公式求出ω2和Φ，其中ω=2πf，f為頻率，求得的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)影響仿真計(jì)算的計(jì)算規(guī)模和精確度。本文根據(jù)HyperMesh默認(rèn)的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于體網(wǎng)格都是在面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上生成的，因此單元質(zhì)量的檢查主要是針對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行。劃分網(wǎng)格時(shí)要權(quán)衡計(jì)算精度及求解速度這兩方面的因素。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應(yīng)力集中的地方)，采用比較密集的網(wǎng)格;在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度小的部位則采用較稀疏的網(wǎng)格。具體如下:機(jī)座外殼采用節(jié)點(diǎn)耦合模擬焊接;端蓋與機(jī)座間、端蓋與軸承套之間以及軸承套與軸承內(nèi)外蓋之間均采用ECV模擬螺栓連接;小側(cè)板與機(jī)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(qū)域設(shè)置默認(rèn)的接觸參數(shù);定子鐵芯與機(jī)座間的接觸采用綁定接觸;定、轉(zhuǎn)子鐵芯和繞組采用節(jié)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�；贖ertz接觸理論和線(xiàn)性彈簧單元;軸承內(nèi)圈和轉(zhuǎn)子軸、軸承外圈和軸承套采用MPC綁定接觸。電機(jī)的有限元模型如圖1所示。

　　1.3有限元模型的計(jì)算

　　將有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中，設(shè)置求解類(lèi)型為模態(tài)分析，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)利用試驗(yàn)的方法得到試驗(yàn)結(jié)果，將仿真模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的前10階進(jìn)行對(duì)比，如圖2、3及圖4～13所示。由仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知:仿真計(jì)算所得的固有頻率與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于10.35%，結(jié)果較吻合;但是計(jì)算得出的模態(tài)振型幅值要高于試驗(yàn)所得的模態(tài)振型幅值。從振型圖可以看出，電機(jī)的低階模態(tài)主要為驅(qū)動(dòng)端端蓋的呼吸模態(tài)、機(jī)座整體的左右擺動(dòng)和上下擺動(dòng)以及小側(cè)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(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)使電機(jī)固有第一階振型(f=37.1Hz)為驅(qū)動(dòng)端端蓋呼吸模態(tài)和電機(jī)整體平動(dòng)。機(jī)座蓋板處基本沒(méi)有位移變化，這是由于驅(qū)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(nèi)外圈之間有油膜存在，使得滾動(dòng)體、油膜、內(nèi)外圈之間存在一定的摩擦力，在軸向力沒(méi)有到達(dá)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(xiàn)這種振型。第二階振型(f=68.8Hz)為電機(jī)整體左右平動(dòng)，并伴隨電機(jī)中部的一階左右彎曲振動(dòng)。整個(gè)電機(jī)的最大彎曲發(fā)生在機(jī)體中部側(cè)板，因此側(cè)板容易疲勞。在進(jìn)行振動(dòng)噪聲控制時(shí)，可針對(duì)具體情況增加側(cè)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(jī)整體上下平動(dòng)，同時(shí)伴隨電機(jī)中部的一階上下彎曲振動(dòng)。整個(gè)電機(jī)的最大彎曲發(fā)生在機(jī)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(cè)板，都是一階局部模態(tài)。由于它與機(jī)座接觸面積小，連接剛度較弱，且內(nèi)外側(cè)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(cè)板變形較大。第七、八、九、十階振型(f=150.9、152.3、153、153.9Hz)為小側(cè)板二階局部模態(tài)。

　　2、誤差分析

　　有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有差異的原因分析如下:

　　(1)約束條件之間的差別。在電機(jī)的測(cè)試試驗(yàn)中，用彈性繩將機(jī)體懸掛起來(lái)，所選擇的彈性繩的剛度應(yīng)使約束系統(tǒng)頻率小于機(jī)體的第一階固有頻率的1/5。實(shí)際試驗(yàn)是一種近似的自由狀態(tài)，而計(jì)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(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差，但這種偏差很小。

　　(2)電機(jī)有限元模型經(jīng)過(guò)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，與實(shí)際電機(jī)有差別。

　　(3)電機(jī)結(jié)構(gòu)可能存在非線(xiàn)性因素(如端蓋與主軸承蓋接觸處)，而計(jì)算時(shí)是按線(xiàn)性系統(tǒng)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(jù)資料表明:電機(jī)在實(shí)際鑄造中，由于冷卻速度不同，可能導(dǎo)致材料特性，尤其是楊氏模量的不一致，而在計(jì)算時(shí)假定材料為均勻的，也會(huì)導(dǎo)致一些偏差。

　　(5)在一定頻率范圍內(nèi)，理論分析的固有頻率數(shù)要多于測(cè)試結(jié)果。這主要是由于試驗(yàn)時(shí)，為了識(shí)別電機(jī)的主要固有頻率，不可能布置太多測(cè)點(diǎn)，因而會(huì)測(cè)不到一些高階固有頻率和某些局部模態(tài)。

　　3、結(jié)論

　　(1)柴油機(jī)附加電機(jī)有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差可接受，基本都在10%以?xún)?nèi)，表明電機(jī)有限元模型能較好地反映機(jī)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(jī)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(jī)側(cè)板、小側(cè)板等電機(jī)的薄弱部位，且模態(tài)振型非常相似。這是因?yàn)樵撾姍C(jī)采用大跨距的薄板殼和框梁結(jié)構(gòu)，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(yàn)分析都可以發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。

　　(3)本文建立的電機(jī)有限元模型還可用于其瞬態(tài)振動(dòng)分析、噪聲預(yù)測(cè)以及電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

　　參考文獻(xiàn)：

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