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1、船舶柴油機電機模態(tài)研究 船舶柴油機電機模態(tài)研究 2016/09/30 《柴油機雜志》2016年第3期 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水平，及在發(fā)生振動問題時能提出合理的解決方案，對船舶柴油機附加電機進行模態(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，通過軟件ANSYS求解器進行計算。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)振動分析、噪聲預測以及優(yōu)化設計提

2、供技術支持。 關鍵詞: 柴油機;電機;有限元法;模態(tài)分析 0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，現(xiàn)代電機正朝著大電流高磁密的方向發(fā)展，使電機產生比較大的電磁噪聲。電機的振動是造成電機噪聲的主要原因之一，并且電機振動給電機-負載系統(tǒng)的安全可靠運行帶來很大的危害［2］。因此，有必要對電機振動問題進行深入研究。在大型交流電機的使用過程中，有時會發(fā)生電機振動嚴重超標的情況，如何在電機設計階段就能預測電機的振動水平，或發(fā)生振動問題時能提出合理的振動解決方案，是電機生產企業(yè)迫切需要解決的問題［3，4］。而如何準確地計算

3、大型交流電機定子模態(tài)特性，以便進行合理的結構設計，降低電機的振動與噪聲水平是研究重點。本文對200kW柴油機的附加電機建立有限元模型，通過軟件ANSYS求解器進行計算。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)下相關有限元計算的基礎。采用Hypermesh軟件進行網格劃分。 1電機的模態(tài)分析 1．1模態(tài)分析理論 模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(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)可以通過計算或者試驗分析得到，而計算或試驗過程就稱

4、為模態(tài)分析。根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)以某個固有頻率振動時所呈現(xiàn)出的振動形態(tài)稱為模態(tài)，此時各點位移存在一定的比例關系，稱為固有振型。對于一個具有N自由度的線性系統(tǒng)［7］，其運動微分方程:MX．．+CX．+KX=F(t)(1)式中:M為質量矩陣;K為剛度矩陣;X為位移向量;F(t)為作用力向量，t為時間;C為阻尼系數(shù)。當F(t)=0時，忽略阻尼C影響，方程變?yōu)?WX．．+KX=0(2)自由振動時結構上各點做簡諧振動，各點位移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

5、是模態(tài)振型。 1．2模型的建立 結構有限元網格的數(shù)量和質量會影響仿真計算的計算規(guī)模和精確度。本文根據(jù)HyperMesh默認的網格質量標準對電機進行網格劃分。由于體網格都是在面網格的基礎上生成的，因此單元質量的檢查主要是針對面網格進行。劃分網格時要權衡計算精度及求解速度這兩方面的因素。在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應力集中的地方)，采用比較密集的網格;在計算數(shù)據(jù)變化梯度小的部位則采用較稀疏的網格。具體如下:機座外殼采用節(jié)點耦合模擬焊接;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

6、接，螺栓孔以及壓縮錐之外的區(qū)域設置默認的接觸參數(shù);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(jié)點位移耦合;定子端部繞組采用實體建模;滾動軸承的建?；贖ertz接觸理論和線性彈簧單元;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，設置求解類型為模態(tài)分析，對其進行計算。同時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

7、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)主要為驅動端端蓋的呼吸模態(tài)、機座整體的左右擺動和上下擺動以及小側板的模態(tài)。其中整體模態(tài)振型的參與質量和振動能量均較大，特別是低階整體模態(tài)，需要重點關注，在優(yōu)化電機結構時，應使電機固有第一階振型(f=37．1Hz)為驅動端端蓋呼吸模態(tài)和電機整體平動。機座蓋板處基本沒有位移變化，這是由于驅動端軸承是無擋圈的滾柱軸承，它主要承受徑向力，但是由于滾動體與軸承的內外圈之間有油膜存在，使得滾動體、油膜、內外圈之間存在一定的摩擦力，在軸向力沒有到達靜摩擦力的上限時，軸承所受的軸向力都可以由摩擦力抵消掉，因此會出

8、現(xiàn)這種振型。第二階振型(f=68．8Hz)為電機整體左右平動，并伴隨電機中部的一階左右彎曲振動。整個電機的最大彎曲發(fā)生在機體中部側板，因此側板容易疲勞。在進行振動噪聲控制時，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。第三階振型(f=76．7Hz)為電機整體上下平動，同時伴隨電機中部的一階上下彎曲振動。整個電機的最大彎曲發(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，且內外側沒有約束，所以會存在該階局部模態(tài)。在這幾階振型中，小側板變形較大。第七、八、九、

9、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，所選擇的彈性繩的剛度應使約束系統(tǒng)頻率小于機體的第一階固有頻率的1/5。實際試驗是一種近似的自由狀態(tài)，而計算時，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)電機有限元模型經過了結構簡化，與實際電機有差別。 (3)電機結構可能存在非線性因素(如端蓋與主

10、軸承蓋接觸處)，而計算時是按線性系統(tǒng)進行線性求解的，會造成一些誤差;同時有限元方法本身也會產生離散誤差。 (4)據(jù)資料表明:電機在實際鑄造中，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，而在計算時假定材料為均勻的，也會導致一些偏差。 (5)在一定頻率范圍內，理論分析的固有頻率數(shù)要多于測試結果。這主要是由于試驗時，為了識別電機的主要固有頻率，不可能布置太多測點，因而會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%以內，表明電機有限元模型能較好地反

11、映機體的動態(tài)剛度特性，模型簡化及處理較為合理。 (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(xiàn)這樣的現(xiàn)象。 (3)本文建立的電機有限元模型還可用于其瞬態(tài)振動分析、噪聲預測以及電機的優(yōu)化設計中。 參考文獻： ［1］王荀，邱阿瑞．大中型異步電動機定子模態(tài)的仿真分析［J］．大電機技術，2011(1)． ［

12、2］王天煜，王鳳翔．大型異步電動機定子振動與模態(tài)分析［J］．中國電機工程學報，2007，27(12):41-45． ［3］任繼紅．高速滾珠軸承的剛度計算與轉子-軸承系統(tǒng)的動力學分析［D］．西安:西安建筑科技大學，2005． ［4］岡本純山．球軸承的設計計算［M］．黃志強．譯．北京:機械工業(yè)出版社，2003． ［5］張晨彬．發(fā)動機橡膠懸置的研究與優(yōu)化［D］．南京:東南大學，2006． ［6］楊關海．橡膠減振在摩托車上的應用［D］．天津:天津大學，2011． ［7］李小軍．變剛度支撐對船舶軸系橫向振動影響分析［J］．中國修船，2015(3).