模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域的應用，下面是小編蒐集整理的船舶柴油機電機模態研究的論文範文，歡迎閱讀檢視。
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優化設計研究。對200kW柴油機的附加電機建立有限元模型，通過軟體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振動分析、噪聲預測以及優化設計提供技術支援。
關鍵詞:柴油機;電機;有限元法;模態分析
引言
當今人們對減少噪聲汙染的要求日益強烈[1];與此同時，現代電機正朝著大電流高磁密的方向發展，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，並且電機振動給電機-負載系統的安全可靠執行帶來很大的危害[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，是電機生產企業迫切需要解決的問題[3，4]。而如何準確地計算大型交流電機定子模態特性，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，通過軟體ANSYS求解器進行計算。該有限元模型不僅可應用於電機靜止狀態下模態的計算，也是電機工作狀態下相關有限元計算的基礎。採用Hypermesh軟體進行網格劃分。
1、電機的模態分析
1.1模態分析理論
模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，這些模態引數可以通過計算或者試驗分析得到，而計算或試驗過程就稱為模態分析。根據振動理論，多自由度系統以某個固有頻率振動時所呈現出的振動形態稱為模態，此時各點位移存在一定的比例關係，稱為固有振型。對於一個具有N自由度的線性系統[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為阻尼係數。當F(t)=0時，忽略阻尼C影響，方程變為: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頻率，固有振型便是模態振型。
1.2模型的建立
結構有限元網格的數量和質量會影響模擬計算的計算規模和精確度。本文根據HyperMesh預設的'網格質量標準對電機進行網格劃分。由於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。在計算資料變化梯度較大的部位(如應力集中的地方)，採用比較密集的網格;在計算資料變化梯度小的部位則採用較稀疏的網格。具體如下:機座外殼採用節點耦合模擬焊接;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採用ECV模擬螺栓連線;小側板與機座間採用Beam188單元模擬螺栓連線，螺栓孔以及壓縮錐之外的區域設定預設的接觸引數;定子鐵芯與機座間的接觸採用繫結接觸;定、轉子鐵芯和繞組採用節點位移耦合;定子端部繞組採用實體建模;滾動軸承的建模基於Hertz接觸理論和線性彈簧單元;軸承內圈和轉子軸、軸承外圈和軸承套採用MPC繫結接觸。電機的有限元模型如圖1所示。
1.3有限元模型的計算
將有限元模型匯入到ANSYS中，設定求解型別為模態分析，對其進行計算。同時利用試驗的方法得到試驗結果，將模擬模態與試驗模態的前10階進行對比，如圖2、3及圖4～13所示。由模擬結果與試驗結果對比可知:模擬計算所得的固有頻率與試驗值的相對誤差小於10.35%，結果較吻合;但是計算得出的模態振型幅值要高於試驗所得的模態振型幅值。從振型圖可以看出，電機的低階模態主要為驅動端端蓋的呼吸模態、機座整體的左右擺動和上下襬動以及小側板的模態。其中整體模態振型的參與質量和振動能量均較大，特別是低階整體模態，需要重點關注，在優化電機結構時，應使電機固有第一階振型(f=37.1Hz)為驅動端端蓋呼吸模態和電機整體平動。機座蓋板處基本沒有位移變化，這是由於驅動端軸承是無擋圈的滾柱軸承，它主要承受徑向力，但是由於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，因此會出現這種振型。第二階振型(f=68.8Hz)為電機整體左右平動，並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，從而降低這部分的區域性振動。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生在機體中部頂板，因此頂板容易發生疲勞。第四、五、六階振型(f=114.4、112.6、115.5Hz)均發生在小側板，都是一階區域性模態。由於它與機座接觸面積小，連線剛度較弱，且內外側沒有約束，所以會存在該階區域性模態。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)為小側板二階區域性模態。
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頻率小於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，而計算時，不加任何約束，是理想的自由狀態，這兩種狀態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(如端蓋與主軸承蓋接觸處)，而計算時是按線性系統進行線性求解的，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)據資料表明:電機在實際鑄造中，由於冷卻速度不同，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)在一定頻率範圍內，理論分析的固有頻率數要多於測試結果。這主要是由於試驗時，為了識別電機的主要固有頻率，不可能佈置太多測點，因而會測不到一些高階固有頻率和某些區域性模態。
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映機體的動態剛度特性，模型簡化及處理較為合理。
(2)從附加電機的振型可以看出:存在大量區域性模態，且比較密集。大量密集的固有頻率和振型位於電機側板、小側板等電機的薄弱部位，且模態振型非常相似。這是因為該電機採用大跨距的薄板殼和框樑結構，會存在大量非常密集的區域性模態，且許多振型具有相似性，從理論和試驗分析都可以發現這樣的現象。
(3)本文建立的電機有限元模型還可用於其瞬態振動分析、噪聲預測以及電機的優化設計中。
參考文獻：
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