搜索ANSYS經(jīng)典界面對雙轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子諧響應分析
2016-12-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
【問題描述】
一個雙轉(zhuǎn)子電機如圖所示
該電機含有兩個轉(zhuǎn)子:內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。
內(nèi)轉(zhuǎn)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(zhì)量單元表示),而且右邊的圓盤上存在不平衡質(zhì)量,該不平衡質(zhì)量產(chǎn)生了不平衡的力。
外轉(zhuǎn)子是一根空心軸,它套在內(nèi)轉(zhuǎn)子外面。外轉(zhuǎn)子的左端與機架通過軸承相連,右端面通過軸承與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接(圖中沒有表示出來)。在外轉(zhuǎn)子上也有兩個圓盤,這兩個圓盤不存在偏心質(zhì)量的問題。
內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是14000轉(zhuǎn)每分,而外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是21000轉(zhuǎn)每分。
所有的相關(guān)幾何尺寸,軸承的參數(shù),以及圓盤的質(zhì)量和慣性量,在下面建模的時候給出。
現(xiàn)在要對該雙轉(zhuǎn)子電機進行轉(zhuǎn)子動力學仿真,具體是做諧響應分析,目的是考察:
(1)7號節(jié)點(內(nèi)轉(zhuǎn)子上)和12號節(jié)點(外轉(zhuǎn)子上)的幅值與頻率的關(guān)系圖。也就是要繪制這兩個點的幅頻關(guān)系曲線。
(2)在某一個給定頻率處的轉(zhuǎn)軸軌跡圖。
(3)在某一個給定頻率處轉(zhuǎn)軸的渦動動畫。
《注》該算例來自于ANSYS APDL轉(zhuǎn)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(jīng)典界面做轉(zhuǎn)子的諧響應分析。
(2)如何對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的軸承建模。
(3)如何建模不平衡質(zhì)量。
【問題分析】
1. 對于內(nèi)轉(zhuǎn)子用梁單元BEAM188建模,對于外轉(zhuǎn)子也用BEAM188建模。由于這里涉及到圓盤的位置,集中質(zhì)量的位置,準備用直接建模法。這就是說,先創(chuàng)建節(jié)點,然后由節(jié)點創(chuàng)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(zhì)點單元創(chuàng)建在相應的轉(zhuǎn)軸上,設(shè)置其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。
4.由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。這兩個組件只包含軸以及軸上的集中質(zhì)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(jié)點,其中一個節(jié)點在轉(zhuǎn)子軸上,另外一個在轉(zhuǎn)子軸外,對于轉(zhuǎn)子軸外的這個節(jié)點完全固定,以此來模擬機架。
此外,所有的節(jié)點都限制圍繞軸線方向的轉(zhuǎn)動。以限制扭轉(zhuǎn)自由度。
5.對于不平衡力的處理。基于對內(nèi)轉(zhuǎn)子右邊圓盤的偏心質(zhì)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(shè)置。使用諧響應分析方法,開啟科里奧利效應,并對兩個轉(zhuǎn)子組件施加不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸軌跡圖和渦動動畫。
8.關(guān)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(guān)的命令拷貝到ANSYS的命令窗口中執(zhí)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(chuàng)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(nèi)轉(zhuǎn)子;
第三行定義了一種空心管截面梁,代表外轉(zhuǎn)子。
3. 創(chuàng)建質(zhì)量單元并定義其實常數(shù)
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(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。
4. 創(chuàng)建軸承單元并定義實常數(shù)
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(shù)定義對話框
會發(fā)現(xiàn)該對話框中已經(jīng)有3-10的8個實常數(shù)集。
5. 創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子(梁單元及質(zhì)量單元)并定義組件
(1)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)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(nèi)轉(zhuǎn)子上的8個節(jié)點
此時主窗口中出現(xiàn)8個節(jié)點
繼續(xù)輸入
type,1
secn,1
e,1,2
egen,7,1,1
用BEAM188創(chuàng)建代表內(nèi)轉(zhuǎn)子的軸線。
并輸入
/PNUM,NODE,1
/PNUM,ELEM,1
/REPLOT
說明打開節(jié)點和單元的編號顯示
此時主窗口中出現(xiàn)了7個單元
(2)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上的圓盤
繼續(xù)輸入
type,2
real,3
e,2
創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上左邊的點質(zhì)量,表達左邊的圓盤
此時主窗口顯示
可見左邊的質(zhì)量單元已經(jīng)創(chuàng)建
繼續(xù)輸入
real,6
e,7
創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子上右邊的點質(zhì)量,表達右邊的圓盤
此時主窗口顯示
可見右邊的質(zhì)量單元已經(jīng)創(chuàng)建
(3)創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)子組件
繼續(xù)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(chuàng)建外轉(zhuǎn)子(梁單元及質(zhì)量單元)并定義組件
(1)創(chuàng)建外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的8個節(jié)點
此時在原來節(jié)點的基礎(chǔ)上又增加了5個節(jié)點。主窗口中顯示如下
繼續(xù)輸入
type,1
secn,2
e,9,10
egen,4,1,10
用BEAM188創(chuàng)建代表外轉(zhuǎn)子的軸線。
此時主窗口中可以看到,新單元與內(nèi)轉(zhuǎn)子上的單元相重合了。
(2)創(chuàng)建質(zhì)量單元
繼續(xù)輸入
type,2
real,4
e,10
創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子上左邊的點質(zhì)量,表達左邊的圓盤
主窗口中已經(jīng)出現(xiàn)了一個新的點質(zhì)量單元
繼續(xù)輸入
real,5
e,12
創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子上右邊的點質(zhì)量,表達右邊的圓盤
主窗口中已經(jīng)又出現(xiàn)了一個新的點質(zhì)量單元
(3)定義外轉(zhuǎn)子組件
繼續(xù)輸入
esel,u,,,inSpool
cm,outSpool,elem
allsel
第一行是說明去掉內(nèi)轉(zhuǎn)子組件內(nèi)的所有單元
第二行創(chuàng)建一個集合,由于去掉了內(nèi)轉(zhuǎn)子上的所有單元,現(xiàn)在只留下外轉(zhuǎn)子上的所有單元。用這些單元創(chuàng)建一個新組件outSpool
第三行說明選擇所有節(jié)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(nèi)轉(zhuǎn)子組件和外轉(zhuǎn)子組件。
7. 創(chuàng)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(jīng)新創(chuàng)建了3個節(jié)點,在主軸線上方。
繼續(xù)輸入
type,3
real,7
e,1,101
用于創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)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(xù)輸入
real,8
e,9,109
用于創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子左端的軸承
此時主窗口中增加了一個軸承
繼續(xù)輸入
real,9
e,6,13
用于創(chuàng)建外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)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(xù)輸入
real,10
e,8,108
用于創(chuàng)建內(nèi)轉(zhuǎn)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(chuàng)建結(jié)束
8. 設(shè)置位移邊界條件
(1)限制所有節(jié)點的繞軸扭轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(shè)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(jié)點添加了一個力。
二 仿真
下面的操作使用GUI方式進行。
1. 創(chuàng)建諧響應分析類型,并設(shè)置其屬性
設(shè)置新分析類型是諧響應分析
從下列菜單進入
設(shè)置載荷步
即激勵頻率范圍是0-234hz,在該范圍內(nèi)劃分500子步,且激勵是階躍激勵形式。
從下列菜單進入
設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼
即設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)是0.01.
2. 指定科里奧利效應相關(guān)的選項
(1)打開科里奧利效應開關(guān)
從下列菜單進入
設(shè)置打開科里奧利效應,并設(shè)置計算的坐標系是固定坐標系。
(2)設(shè)置不平衡激勵的位置及頻率
從下列菜單進入
設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)子上有不平衡激勵,且激勵的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率之間的比例是1.
(3)設(shè)置內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
從下列菜單進入
設(shè)置如下
即內(nèi)轉(zhuǎn)子的速度是100rad/s
(4)設(shè)置外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
同樣,設(shè)置外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)阻尼是0.01
上面指明的是諧響應分析的相關(guān)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(xiàn)在內(nèi)轉(zhuǎn)子上,且頻率比是1
第8-9行說明內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
可見,命令流比GUI操作簡單清晰。下面的后處理繼續(xù)用命令流來操作。
三 后處理
1. 繪制內(nèi)轉(zhuǎn)子上的7號節(jié)點和外轉(zhuǎn)子上的12號節(jié)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(jié)點是圓盤所在處
其中,7號節(jié)點的圓盤存在偏心,而12號節(jié)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(chuàng)建7號節(jié)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(jié)點的UY位移,
變量3存儲7號節(jié)點的UZ位移,
這兩個變量2,3都是復數(shù)型變量。
繼續(xù)輸入
realvar,4,2,,,UYR
realvar,5,3,,,UZR
指明用變量4存儲7號節(jié)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(jié)點的UZ位移的實部,并將該變量命名為UZR
繼續(xù)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(xù)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(jié)點的振幅。
(2)創(chuàng)建12號節(jié)點的幅值變量
繼續(xù)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(jié)點的振幅變量。這個變量是變量10.
(3)繪制7,12號節(jié)點的幅頻曲線
繼續(xù)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(shù)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(zhí)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(jié)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(xù)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(jié)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(zhí)行后主窗口顯示如下
該圖形描述了內(nèi)外轉(zhuǎn)子上各個節(jié)點的運動軌跡。每個節(jié)點的運動軌跡都是一個橢圓。
3. 動畫顯示軌跡
繼續(xù)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(jié)果。
第2行:說明對于內(nèi)外轉(zhuǎn)子,顯示其截面
第3行:指明單元的外廓不顯示。
第4行:把結(jié)果顯示為連續(xù)的云圖
第5行:這是核心命令,把該載荷步的結(jié)果進行動畫顯示
則主窗口開始顯示轉(zhuǎn)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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