搜索ANSYS經典界面對雙轉子電機的轉子諧響應分析
2016-12-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
【問題描述】
一個雙轉子電機如圖所示
該電機含有兩個轉子:內轉子和外轉子。
內轉子是一根實心軸,較長;它的兩端通過軸承與機架相連;在兩端距離軸承不遠的地方裝有兩個圓盤(圖中沒有繪制,在有限元分析中圓盤會用質量單元表示),而且右邊的圓盤上存在不平衡質量,該不平衡質量產生了不平衡的力。
外轉子是一根空心軸,它套在內轉子外面。外轉子的左端與機架通過軸承相連,右端面通過軸承與內轉子連接(圖中沒有表示出來)。在外轉子上也有兩個圓盤,這兩個圓盤不存在偏心質量的問題。
內轉子的轉速是14000轉每分,而外轉子的轉速是21000轉每分。
所有的相關幾何尺寸,軸承的參數,以及圓盤的質量和慣性量,在下面建模的時候給出。
現在要對該雙轉子電機進行轉子動力學仿真,具體是做諧響應分析,目的是考察:
(1)7號節點(內轉子上)和12號節點(外轉子上)的幅值與頻率的關系圖。也就是要繪制這兩個點的幅頻關系曲線。
(2)在某一個給定頻率處的轉軸軌跡圖。
(3)在某一個給定頻率處轉軸的渦動動畫。
《注》該算例來自于ANSYS APDL轉子動力學部分的幫助實例。
【范例說明】
給出本例子的目的,是想說明:
(1)如何用ANSYS經典界面做轉子的諧響應分析。
(2)如何對轉子系統中的軸承建模。
(3)如何建模不平衡質量。
【問題分析】
1. 對于內轉子用梁單元BEAM188建模,對于外轉子也用BEAM188建模。由于這里涉及到圓盤的位置,集中質量的位置,準備用直接建模法。這就是說,先創建節點,然后由節點創建單元。
2. 對于4個軸承,使用COMBI214建模,該單元是二維的彈簧/阻尼單元,支持在兩個方向上定義剛度和阻尼特性。
3.對于4個圓盤,使用MASS21建模。質點單元創建在相應的轉軸上,設置其質量和轉動慣量。
4.由于內外轉子的轉速不同,需要分別定義兩個組件,并對每個組件給以不同的轉速。這兩個組件只包含軸以及軸上的集中質量。
5.位移邊界條件的處理。
軸承是用COMBI214建模的,該單元有兩個節點,其中一個節點在轉子軸上,另外一個在轉子軸外,對于轉子軸外的這個節點完全固定,以此來模擬機架。
此外,所有的節點都限制圍繞軸線方向的轉動。以限制扭轉自由度。
5.對于不平衡力的處理?；趯绒D子右邊圓盤的偏心質量的計算,得到不平衡力,把該不平衡力使用力的滑移定理移動到軸上。因此直接在軸上施加集中力就可以表示該不平衡力。
6.分析設置。使用諧響應分析方法,開啟科里奧利效應,并對兩個轉子組件施加不同的轉速,使用固定坐標系進行計算。
7.后處理。使用時間歷程后處理得到兩個點的頻率響應曲線,使用通用后處理得到轉軸軌跡圖和渦動動畫。
8.關于GUI和命令方式的選擇。由于本算例過程相對復雜,如果用GUI方式,篇幅很長。本文準備對重復的部分用命令方式,對簡單的部分用GUI方式。對于命令方式,筆者會闡述該命令的含義,讀者只需要把相關的命令拷貝到ANSYS的命令窗口中執行就好。
【求解過程】
一 建模
本部分的操作均用命令流的方式進行。
進入到前處理器
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. 創建梁單元并定義截面
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心圓截面梁,代表內轉子;
第三行定義了一種空心管截面梁,代表外轉子。
3. 創建質量單元并定義其實常數
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圓盤的質量和轉動慣量。
4. 創建軸承單元并定義實常數
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,用來模擬四個軸承
接連下來的四行定義了四個軸承的兩個方向的剛度。
此時,如果打開實常數定義對話框
會發現該對話框中已經有3-10的8個實常數集。
5. 創建內轉子(梁單元及質量單元)并定義組件
(1)創建內轉子
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
用以代表內轉子上的8個節點
此時主窗口中出現8個節點
繼續輸入
type,1
secn,1
e,1,2
egen,7,1,1
用BEAM188創建代表內轉子的軸線。
并輸入
/PNUM,NODE,1
/PNUM,ELEM,1
/REPLOT
說明打開節點和單元的編號顯示
此時主窗口中出現了7個單元
(2)創建內轉子上的圓盤
繼續輸入
type,2
real,3
e,2
創建內轉子上左邊的點質量,表達左邊的圓盤
此時主窗口顯示
可見左邊的質量單元已經創建
繼續輸入
real,6
e,7
創建內轉子上右邊的點質量,表達右邊的圓盤
此時主窗口顯示
可見右邊的質量單元已經創建
(3)創建內轉子組件
繼續輸入
cm,inSpool,elem
是說,把上面的所有單元放進一個集合,該集合的名字是inSpool.
6. 創建外轉子(梁單元及質量單元)并定義組件
(1)創建外轉子
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
用以代表外轉子上的8個節點
此時在原來節點的基礎上又增加了5個節點。主窗口中顯示如下
繼續輸入
type,1
secn,2
e,9,10
egen,4,1,10
用BEAM188創建代表外轉子的軸線。
此時主窗口中可以看到,新單元與內轉子上的單元相重合了。
(2)創建質量單元
繼續輸入
type,2
real,4
e,10
創建外轉子上左邊的點質量,表達左邊的圓盤
主窗口中已經出現了一個新的點質量單元
繼續輸入
real,5
e,12
創建外轉子上右邊的點質量,表達右邊的圓盤
主窗口中已經又出現了一個新的點質量單元
(3)定義外轉子組件
繼續輸入
esel,u,,,inSpool
cm,outSpool,elem
allsel
第一行是說明去掉內轉子組件內的所有單元
第二行創建一個集合,由于去掉了內轉子上的所有單元,現在只留下外轉子上的所有單元。用這些單元創建一個新組件outSpool
第三行說明選擇所有節點,單元,以便下一步驟的操作
此時如果打開組件管理器
可以看到
這里面有了兩個組件。這兩個組件分別是內轉子組件和外轉子組件。
7. 創建軸承
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
用以表示三個軸承與機架的連接點。
此時主窗口顯示如下,說明已經新創建了3個節點,在主軸線上方。
繼續輸入
type,3
real,7
e,1,101
用于創建內轉子左端的軸承
主窗口顯示如下,ANSYS用一根彈簧的模樣來表達該 軸承。
繼續輸入
real,8
e,9,109
用于創建外轉子左端的軸承
此時主窗口中增加了一個軸承
繼續輸入
real,9
e,6,13
用于創建外轉子與內轉子之間的那個軸承
此時主窗口中看不到變化。因為該軸承的兩個端點是共點的,彈簧長度是零,沒有辦法繪制圖例。
繼續輸入
real,10
e,8,108
用于創建內轉子右端的軸承
此時主窗口中增加了一個軸承
至此,4個軸承創建結束
8. 設置位移邊界條件
(1)限制所有節點的繞軸扭轉的自由度
在命令窗口輸入下列命令
d,all,ux,,,,,rotx
說明要固定所有節點的ROTX自由度
主窗口中顯示如下
(2)固定三個軸承的機架端
在命令窗口輸入下列命令
d,101,all
d,108,all
d,109,all
說明要固定三個軸承的機架端節點的所有自由度。
可見主窗口中的三個軸承上端點被全固定。
9. 設置不平衡力
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變量f0,它表達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號節點添加了一個力。
二 仿真
下面的操作使用GUI方式進行。
1. 創建諧響應分析類型,并設置其屬性
設置新分析類型是諧響應分析
從下列菜單進入
設置載荷步
即激勵頻率范圍是0-234hz,在該范圍內劃分500子步,且激勵是階躍激勵形式。
從下列菜單進入
設置結構阻尼
即設置結構阻尼系數是0.01.
2. 指定科里奧利效應相關的選項
(1)打開科里奧利效應開關
從下列菜單進入
設置打開科里奧利效應,并設置計算的坐標系是固定坐標系。
(2)設置不平衡激勵的位置及頻率
從下列菜單進入
設置內轉子上有不平衡激勵,且激勵的頻率與轉子轉動頻率之間的比例是1.
(3)設置內轉子的轉速
從下列菜單進入
設置如下
即內轉子的速度是100rad/s
(4)設置外轉子的轉速
同樣,設置外轉子的轉速是150rad/s
(5)求解
<注釋>
在(二 仿真)中的窗口操作對應的命令如下
/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行說明是進入求解器
第2行說明進行諧響應分析
第3行說明設置載荷子步為500
第4行說明激勵的頻率范圍
第5行說明結構阻尼是0.01
上面指明的是諧響應分析的相關選項
第6行說明打開科里奧利效應
第7行說明不平衡激勵出現在內轉子上,且頻率比是1
第8-9行說明內外轉子的轉速。
可見,命令流比GUI操作簡單清晰。下面的后處理繼續用命令流來操作。
三 后處理
1. 繪制內轉子上的7號節點和外轉子上的12號節點的幅頻響應曲線。
本步驟要得到下列兩個點的幅頻響應曲線。
這兩個節點是圓盤所在處
其中,7號節點的圓盤存在偏心,而12號節點的圓盤沒有偏心。
首先在命令窗口輸入
/POST26
說明進入時間歷程后處理器。
(1)創建7號節點的幅值變量
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7號節點的UY位移,
變量3存儲7號節點的UZ位移,
這兩個變量2,3都是復數型變量。
繼續輸入
realvar,4,2,,,UYR
realvar,5,3,,,UZR
指明用變量4存儲7號節點的UY位移的實部,并將該變量命名為UYR
用變量5存儲7號節點的UZ位移的實部,并將該變量命名為UZR
繼續輸入
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號節點的振幅。
(2)創建12號節點的幅值變量
繼續輸入
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號節點的振幅變量。這個變量是變量10.
(3)繪制7,12號節點的幅頻曲線
繼續輸入
/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備
第1行說明下面圖形的Y軸使用對數坐標
第2行說明了Y軸幅值的范圍
第3行是繪制9,10兩個變量的曲線,縱坐標是這兩個變量值,橫坐標是頻率。
第4行是退出時間歷程后處理器。
在執行完上述命令后,主窗口中顯示如下
從該圖可以看出,這兩個節點均在125HZ,200HZ處有一個峰值。這應該是對應于軸的兩階固有頻率處。
2. 繪制軸線的運動軌跡特性
繼續輸入
/POST1
set,1,262
/view,,1,1,1
plorb
其中第1行說明進入通用后處理
第2行說明要看262個子步的結果
第3行表明視圖的方向
第四行繪制軸線的運動軌跡曲線
命令執行后主窗口顯示如下
該圖形描述了內外轉子上各個節點的運動軌跡。每個節點的運動軌跡都是一個橢圓。
3. 動畫顯示軌跡
繼續輸入
SET,1,500
/eshape,1
/gline,,-1
plnsol,u,sum
anharm
其含義是
第1行:選擇第500個載荷步,這是最后一個載荷步的結果。
第2行:說明對于內外轉子,顯示其截面
第3行:指明單元的外廓不顯示。
第4行:把結果顯示為連續的云圖
第5行:這是核心命令,把該載荷步的結果進行動畫顯示
則主窗口開始顯示轉動動畫
這是某一個時刻的截圖
另外一個時刻的截圖
由此可以看到在某個頻率處該電機的運動情況。
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