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文檔簡介
1、<p> 基于ANSYS WORKBENCH油田電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)的有限元分析</p><p> 摘要:機(jī)座是油田電機(jī)中重要零件之一,文章介紹ANSYS WORKBENCH有限元方法對油田電機(jī)機(jī)座進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析,分析結(jié)果表明電機(jī)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,為同類產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、改進(jìn)提供了參考依據(jù) </p><p> 關(guān)鍵詞:機(jī)座 模態(tài) ANSYS 強(qiáng)度 剛度 有限元 </p
2、><p> 機(jī)座是油田電機(jī)中重要零件之一。由于機(jī)座的結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 用簡單的材料力學(xué)公式很難精確分析和計算其受力和變形情況。在以往的設(shè)計中, 往往是根據(jù)經(jīng)驗或參考有關(guān)樣機(jī)來進(jìn)行設(shè)計, 處于經(jīng)驗類比設(shè)計階段。這種設(shè)計方法, 勢必導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果趨于保守。本文應(yīng)用CATIA進(jìn)行產(chǎn)品的參數(shù)化實體建模,利用有限元方法,從靜力學(xué)和模態(tài)進(jìn)行電機(jī)機(jī)座力學(xué)分析,得到機(jī)座在靜力作用下的強(qiáng)度、剛度;模態(tài)的固有振動頻率,可以達(dá)到校核機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)
3、度和剛度、分析出主要失效形式和危險點的目的,從而為產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù);模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,利用有限元軟件對轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析,可以得到的模態(tài)頻率及振型,預(yù)測轉(zhuǎn)子與其他部件發(fā)生動態(tài)干擾的可能性,從而對機(jī)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計,避開共振的發(fā)生。ANSYS WORKBENCH的前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊能夠較好地完成此部分工作。 </p><p><b> 1、分析理論 </b
4、></p><p> 1.1有限元計算是建立在位移法基礎(chǔ)上的剛度矩陣法, 其通式可寫成: </p><p> [S]{D}={F} </p><p> 式中 [S] 剛度矩陣 </p><p><b> {D} 位移向量 </b></p><p><b> {F} 載荷項
5、 </b></p><p> 1.2軟件中的動力學(xué)分析中的模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型問題: </p><p> 其中[K]-剛度矩陣 </p><p> { }--第i階模態(tài)的振型向量 </p><p> --第i 階模態(tài)的固有頻率 </p><p> [
6、M]--質(zhì)量矩陣 </p><p><b> 2、建立模型 </b></p><p> 利用CATIA軟件建立機(jī)座三維模型,將機(jī)座、定子鐵心、端蓋分為三個部件,然后再裝配為組件,并對定子線圈進(jìn)行等效簡化,計算出等效密度,得出三維模型后另存為“.CATPart”文件,并導(dǎo)人ANSYS WORKBENCH,如圖1所示。 </p><p> 圖
7、1 機(jī)座三維模型 </p><p><b> 4、材料定義 . </b></p><p> ANSYS WORKBENCH系統(tǒng)計算需要材料的彈性模量、泊松比和密度。材料定義時將上述三種材料屬性輸入即可如表1。 </p><p><b> 表1 </b></p><p><b> 項
8、 彈性模量 </b></p><p> ?。∟/m2) 密度 </p><p> ?。╧g/m3) 泊松比 </p><p> 定子 2.0e11 14140(等效密度) 0.3 </p><p> 機(jī)座 2.0e11 7850 0.3 </p><p> 端蓋 1.47e11 7800 0.3 &l
9、t;/p><p><b> 5、建立約束 </b></p><p> 機(jī)座與鐵心接觸面,建立約束條件為綁定,端蓋與機(jī)座孔建立綁定約束; </p><p><b> 6、劃分網(wǎng)格 </b></p><p> 選擇六面體網(wǎng)格劃分,完成后結(jié)點數(shù)為545682,單元數(shù)為2961708;網(wǎng)格質(zhì)量等級為sk
10、ewness為0.76.如圖2所示 </p><p><b> 圖2 網(wǎng)格劃分 </b></p><p><b> 7、約束與載荷 </b></p><p> 電機(jī)機(jī)座在實際工況下,除了承受機(jī)座本身的重力外,還承受轉(zhuǎn)子的重量,單邊磁拉力,將其等效為軸承力;轉(zhuǎn)矩包括工作轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載突然變化電機(jī)突然短路時的靜態(tài)電磁力矩,
11、轉(zhuǎn)子等重量:m=796kg;徑向力:F1=6553.5N;F2=5746.5N;單邊磁拉力:F3=1230N;最大轉(zhuǎn)矩M=11460N.m(考慮2倍安全系數(shù));風(fēng)機(jī)重量:G1=2000N,機(jī)座四個底腳孔全約束 </p><p><b> 8、靜力分析 </b></p><p> 8.1 應(yīng)力分析圖 </p><p><b> 圖
12、3 應(yīng)力分析圖 </b></p><p> 8.2 總體變形圖 </p><p><b> 圖4 總體變形圖 </b></p><p><b> 8.3 分析結(jié)論 </b></p><p> 類別 最大值 位置 </p><p> 總變形 0.04700
13、2mm 進(jìn)風(fēng)口板 </p><p> 應(yīng)力分析 63.437MPa 地腳孔 </p><p> 本電機(jī)氣隙為2mm,故允許的最大變形為0.2mm,滿足要求。最大應(yīng)力63.437MPa<δs(235)滿足要求。 </p><p><b> 9、模態(tài)分析 </b></p><p><b> 9.1模態(tài)
14、求解 </b></p><p> 考慮到自身重力以及邊界約束條件,分析前20階模態(tài),其中前6階模態(tài)如下圖所示: </p><p><b> 9.2.模態(tài)振形 </b></p><p> 圖5 機(jī)座1階模態(tài) </p><p> 圖6 機(jī)座2階模態(tài) </p><p> 圖7 機(jī)座
15、3階模態(tài) </p><p> 圖8 機(jī)座4階模態(tài) </p><p> 圖9 機(jī)座5階模態(tài) </p><p> 圖10 機(jī)座6階模態(tài) </p><p><b> 9.2模態(tài)結(jié)論 </b></p><p> 1 2 3 4 5 6 </p><p> 78.185
16、141.19 197.42 236.62 266.87 323.32 </p><p> 從機(jī)座整體模態(tài)結(jié)果分析看,固有頻率與理論值激振力頻率(67Hz)無重合區(qū)(63.65~70.35Hz),無共振現(xiàn)象。從上面的振型圖中可以看出,整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)形式都比較好,不存在局部薄弱環(huán)節(jié),其振型的變形情況是均勻過渡。 </p><p><b> 10、結(jié)束語 </b><
17、;/p><p> 結(jié)果經(jīng)有限元理論分析,機(jī)座的剛度、強(qiáng)度、模態(tài)分析均滿足工況需求,無共振現(xiàn)象。 </p><p><b> 參考文獻(xiàn): </b></p><p> [1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社,1987 </p><p> [2]曹樹謙.張文德,蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析-理論、實驗與應(yīng)用[M].天京大學(xué)出版
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