（电气工程专业论文）船用变频调速推进电动机模态分析和应力场计算.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 推进电机是船舶系统的关键设备。船用大功率多相推进电机研制经费高、风险大， 在振动、噪声、抗冲击等方面的综合技术指标要求很高。应用有限单元法理论和优化 设计思想并结合大型工程分析软件进行推进电机的设计与开发，对于提高其设计水平 和生产效率将是大有裨益的。 本论文运用有限单元法和模态分析理论，结合大型商业化工程分析软件p r o e 和a n s y s 对推进电机进行了应力场分析和振动模态分析。 首先，根据推进电机的实际结构，应用大型三维实体几何建模软件p r o e 建造其 三维实体几何模型，省略相对细小的结构，简化模型。 其次，将几何模型导入到大型有限元软件a n s y s 对推进电机的的物理模型进行 了应力场的分析计算，得出了推进电机各主要零部件的应力分布和变形状态。分析结 果表明：推进电机在各种静载荷作用下，满足强度要求。 第三，在总结推进电机发生振动的原因的基础上，应用大型有限元软件a n s y s 对推进电机的振动模态进行分析。 通过对该推进电机的研究分析，为以后各型推进电机的整机及其它零部件的有限 元分析与优化设计以及动力响应计算奠定了一定的基础。 关键词：推进电机 有限单元法应力场模态分析 华中科技大学硕士学位论丈 a b s t r a c t a p r o p u l s i o nm o t o ri sac r u c i a lp a r to fa ne l e c t r i c a l l yp r o p e l l e ds h i p d e v e l o p m e n to f h i g h p o w e rm u l t i - p h a s ep r o p u l s i o nm o t o r si sa s s o c i a t e dw i t hh i 曲c o s ta n dh i g hr i s k t h e r e s t r i c t i o n so nv i b r a t i o n ，n o i s ea n ds h o c kr e s i s t a n c ea r ea l w a y st i g h t i ti sb e n e f i c i a lt o i m p r o v et h ed e s i g n a n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y i ft h ef i n i t ee l e m e n t sm e t h o da n d o p t i m i z a t i o nd e s i g nc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n ga n a l y s i s s o f t w a r ei s a p p l i e di n t o d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp r o p u l s i o nm o t o r s i nt h i sp a p e r , ap r o p u l s i o nm o t o ri sa n a l y z e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t sm e t h o da n dt h e t h e o r yo fm o d a la n a l y s i sc o m b i n e dw i t hp r o ea n da n s y s ，s t r e s sf i e l da n a l y s i sa n d m o d a la n a l y s i s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r eo ft h ep r o p u l s i o nm o t o r ，t h e3 - d i m e n s i o n a l s o l i dg e o m e t r i c a lm o d e li sb u i l tw i t hp r o e ，a n dt h er e l a t i v e l ys m a l ls t r u c t u r e sa r el e f to u t t os i m p l i f yt h em o d e l s e c o n d l y , t h es o l i dg e o m e t r i c a lm o d e li s e n t e r e di n t oa n s y s t h es t r e s sf i e l di s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e dw i t ha n s y st og a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m e ds t a t eo f t h em a i np a r t so ft h ep r 叩u l s i o nm o t o r a n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p u l s i o nm o t o r m e e t st h er e q u i r e m e n t su n d e rv a r i o u ss t a t i cl o a d s f i n a l l y , b a s e do na na n a l y s i so ft h er e a s o n so fv i b r a t i o no ft h ep r o p u l s i o nm o t o r ，i t s m o d e sa r ea n a l y z e dw i t ha n s y s t h er e s e a r c ho nt h ep r o p u l s i o nm o t o rh a sl a i dc e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ew o r ko f f e ma n a l y s i s ，o p t i m a ld e s i g n ，a n dv i b r a t i o nr e s p o n s ec a l c u l a t i o no fo v e r a l lp r o p u l s i o n m o t o r sa n d o rp a r t so ft h e m k e yw o r d s ：p r o p u l s i o nm o t o r f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds t r e s sf i e l d m o d a la n a l y s i s l i 独创性声明 本久声赘掰呈交豹学篷论文是我个人惑导疼摇簿下进行静硬巍互俸及取褥 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表躐撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个入和集 体，均瞪在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结祭由本人承担。 学位论文作者签名 文；喝 日期：晒年f o 周甲日 ， 学位论文版权使用授权书 零学爱埝文终者完全了鬃学校寄美绦餮、壤爰攀经论文豹巍定，帮；学校鸯 权保留并向国家有关部门或机构送炱论文的复印件和电子版，允许论文被旋阅和 借阕。率入授裰华中科技大学可以将本学位论文的全都或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采蹋影e p 、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文e 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属予 不镶蜜西。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名；c 芝盖斯 嚣裳；承螂f 年l 移秀窜匿 指导教 币签名： 基裁：o t , , , f mf 9 胃霹 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 船舶电力推进的应用和发展概述 船舶电力推进装置这一术语出现于1 8 3 8 年，当时俄罗斯科学家雅柯宾曾对一艘 由蓄电池供电的电力推进船做过试验。1 9 0 4 年，俄罗斯下诺夫戈罗德的沙尔莫夫斯基 船厂造了两艘电力推进船“旺代”和“沙尔马特”。 在美国和欧洲，电力推进盛行于1 9 1 1 年到二次世界大战期间，美国海军的发展是 从第二次世界大战后建造装有2 2 m w 左右电力推进装置的战列舰和建造装有1 3 2 m w 涡轮电力推进装置的航母“列克星敦”、“萨拉托加”及海岸警卫船等开始的。到1 9 4 4 年底，海军共有8 7 0 艘涡轮电力推进装霜船和9 4 0 艘柴电推进装置船【l j 。 目前世界上许多主要公司，其中包括a b b 工业公司( 即原先的s t r o m b e n g ) 、西 门子、西屋、俄罗斯“电力”公司等都在研制交流电力推进装置。a b b 工业公司的a b b 船舶公司的产品占领着船舶系统的主要市场。从1 9 8 9 1 9 9 6 年该公司为4 0 艘功率从 1 5 。5 0 m w 的静止变频器交流电力推进船提供了电力设备( 其中1 2 艘为破冰船和冰 区航行船) 1 1 。 目前，船舶推进和船舶闷常用电共用同电力系统是游轮市场和特殊船运业的标 准商韭习谈，这稀共爝的奄力系统被称免综合全电力箍逮( i f e f ) 。练合全毫力摧避怒 通过配置最少的原动机满足负载需求而获得高效运行，所有原动机运行接近其最佳效 率潮。f 舅。 电力推进是一种最能经得起时间考验的船舶推进类型。它用于将原动机功率传递 给推进辅酌精舶，翔破冰耱、冰嚣航行船和冀健鼹务辅助麓豹。窀力攘遗系统半个多遵 纪的制造与使用历兜与其不断改进密切相关一1 5 。 1 , 2 本课题的目的和意义 1 9 8 1 年初西门予公司研制成功檄界上第一台4 2 2 0 k w 交交变颞蔺步电确梳，充分 显示了其备项优点。随着电子工业和可控变频技术的高速发展，变频器及控制装置不 断完善，成本不断降低，采用交交窝频电动机的调速系统褥到迅速发展。特别在大功 率、低转速鬻要调速的机械上，例如传动轧翎机和矿井提升机等领域，目前国际上融 大鬣采用。大有取代传统的大型直流电动枫之势。 华中科技大学硕士学位论文 我因从8 0 年代后期陆续从国外引进交交变频同步电动机其中有七套已在轧钢机 上经受了长期遮行考验，均取褥了翡显酌经济效益，充分显示了交交交颧调速嘏祝的 优越性。我国自行研制超步较晚，但进展较快1 6 j 。 我凋民孺、陆用交频调速交流电机经过近= 十年的技术弓| 进、消化吸收察持续发 展，其设计、制造、工装、试验等方面都积累了大量的宝贵经验，初步形成较完整的 设计、开发、生产体系，产品的工韭应糟效采较好，总俸技术国趋成熟。尽管鲡诧， 陆用电机技术谯有些方蕊不能满足船舶更严格的要求，如结构紧凑性、高可靠性与维 修往、囊静性、抗冲击性等方谣。 变频调速多相同步推进电机的分析方法在圈内没有现成模型可直接采用，给电机 和系统设计、甄配工律带来困雅。船嗣大功率多相推进电机研镧经费高、风险大，在 振动、噪声、抗冲击等方面的综合技术指标要求很高，广泛深入开展各项理论分析计 算及仿粪研究工作遭在稻睫，而盈是一切工程艨用研究的基础，是一域必须长期坚持 的重要工作。 1 3 本课题采用的研究方法 当今世界，日本、美国等发达国家在新产品的设计过程中普遍采用c a e 技术， 即计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 。这就是先用计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 软件在计算机上直接绘制几何模型、然后使用有限元强度计 算以及优化设计软件进行有限元计算和形状优化，即所有的设计工作都可在计算机上 完成了。这样就大大提高了产品设计质量，并实现工业的计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，从而大大地提高了产品的制造质量，加快了产品的 更新换代【7 卜 i 讲。因此，这些发达国家产品的换代快，在国际市场上具有很强的竞争 能力。 而我国，在产品设计中，往往采用传统的方法，计算机辅助设计应用并不广泛。 用传统的设计方法设计电机结构，多是依靠传统的经验及方法，即依靠经典的材料力 学、弹性力学、结构力学的经验公式，对实际结构和边界条件做大量的简化和理想化 再进行分析设计，或采用很大的安全系数来确保运行中所遇到的突发情况的安全性。 而推进电机及其零部件都是大型化的设备，不可能做出样机进行试验，而模型试验同 样费时费钱。虽然传统的方法具有一定的可靠性和科学性，但是该法也有明显的不足。 由于经验设计带有相当的盲目性，每次的机构设计改进都不会有明显的突破，使得其 华中科技大学硕士学位论文 楚体的结构强度、刚度问题都不能得到合理的解决，也不能对结构的应力分布及刚度 分布逶行定量豹分拆。设计中不可避免的造成结构各部分强度分配不合理韵现象，使 得整个结构设计的成本提高，黹且某些部位强度不够，容易引发事故；某些部使强度 又过于富裕，造成浪费，从而使整个结构达不剿优纯设计的目的。不仅如j 逝，传统的 设计方法设计周期长，使得产晶的更新换代的逮度比较慢，不能与现代化商品生产竞 争相适虑。虽然后来又引入了裔限单元法和优化设计的恐想编制了计算程序，德程序 检验和可靠性验证非常阂难，而且用计算机高级语言编制的程序往往是针对某一问题 进行酌，只限予某- - , b 范围内遗用，通鞴性较麓。在前处理时，需要研究人员做大量 的数据凇备和输入工作；计算结果往往是输出大量而冗长的纯粹的数据结果，嶷观性 较差，黼样需簧研究人员对这黧数据进行繁重酌分析和整理，找出所需簧韵结果。 随着计算机技术的飞速发展，一些大型的工程软件逐渐商业化，使现在的工程研 究面貌一新，发生了革命性的变化。工程研究人员逐渐摆脱了繁重的计算和大量手工 绘图与模型制作，工程研究更加直观、形象，对现实的模拟也更加真实，产品的研制 周期在缩短，更新速度在加快。现代的计算机辅助工程( c a e ) 技术更是将设计、建模、 工程计算( 质量特性计算、有限元分析、优化设计等) 、数控加工程序等集成起来。而 且大型商业化工程软件经过了多年的发展和大量实际工程的检验，具有相当高的可靠 性，功能齐全，通用性强。 在该项目中就是结合有限单元法和优化设计的思想运用大型工程分析软件对推 进电机及其零部件进行结构分析。用到的大型工程分析软件有：三维实体建模软件 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) ，有限元分析软件a n s y s 。 该项目将应用p r o e 软件完成推进电机各个零件的实体建模，再经过装配后，经 由a n s y s 与p r o e 的接口程序导入到a n s y s 中，然后再进行网格的划分、材料属 性的确定、边界约束和载荷的施加等操作。在经过a n s y s 创建完分析模型后，输入 到a n s y s 基本分析模块中进行分析，主要进行静力学强度分析和振动模态分析。得 出结果文件后，在a n s y s 中进行结果的数据显示和可视化显示，分析结构的应力应 变分布状况”“。 1 4 电机模态分析和应力场计算国内外概况 运用电机c a d c a e 优化技术深入开展理论分析计算的研究，不仅是技术发展的 需要，也是减少技术风险的有效途径，这方面工作在大型或新型特种电机的开发研制 华中科技大学硕士学位论文 中一直受到国内外同行的高度重视，并在大型工程项目的开发中，将c a d c a e 软件 的平台黉求纳入研究资源的标壤中。 东方电机厂的大型水电机组主要部件的结构刚强度和动力特性计算技术处于国 内领先地位，并达到国际先进水平。三峡工程中，东方电机厂与v o i t h g e s i e m e n s 联 合体( v g s ) 签订了三峡电站大型水电机组关键技术转让协议。通过对三峡电站水轮发 电机组引进技术的消化吸收和工程应用研究，东方电机厂全面理解了国外公司有关水 电机组结构刚强度和动力特性计算技术的主要思路及先进方法，掌握了其计算技术的 技巧和计算程序，并进行创造性的发展，形成了大型水电机组主要部件的结构刚强度 和动力特性计算规范。他们用a n s y s 软件对发电机上机架、下机架、转子支架、定 子机座、水轮机主轴、顶盖、座环、蜗壳及活动导叶的强度进行了计算分析；计算分 析了发电机定子的振动模态、水轮机顶盖与活动导叶流一固辊合振动模态；采用 i d e a s 并结合t a s c f l o w 流体动力分析软件完成了水轮机转轮强度和振动模态汁算 分析；采用a r m d 旋转机械轴系动力分析软件进行了轴系临界转速与不平衡响应分 析计算。同时，他们还进行了振动、噪声的测量和试验模态分析m 卜1 1 4 1 。另外，国内 一些大学也进行了大型水电机组的动力学研究。例如：山东工业大学对多台水轮发电 机组的主要部件进行了模态分析【l ”。清华大学的程保荣等对水轮发电机组整机系统随 机振动进行了直接谱分析l l “。 对汽轮发电机的模态分析和动力学特性研究最多，哈尔滨电机厂、东方电机j 、 上海电机厂、清华大学、天津大学、华北电力大学、东南大学、江苏理工大学、上海 大学、山东工业大学等单位都做了很多工作【l ”叫2 ”。 1 9 9 0 年，东方电机厂的张卫进行了3 0 0 m w 汽轮发电机定子振动特性及试验模态 分析研究。叙述了东方首台和第二代优化型3 0 0 m w 汽轮发电机的定子振动特性方面 所作的理论分析和试验研究工作。特别是引进了美国g r 2 5 1 5 c a t 计算机辅助试验系 统后具备了深入研究结构动态特性的条件，他们在优化型3 0 0 m w 发电机生产过程中， 分别进行了空机座、下线前定子及下线后定子的振动模态试验，为优化产品设计提供 了可靠的依据“。 1 9 9 4 年，江苏理工大学振动噪声研究所的袁云良、张准采用有限元计算与试验模 态分析相结合的研究方法，对3 0 0 m w 汽轮发电机的主要部件( 机座) 和整机进行模态 分析，以确定合理的结构离散化数学模型，然后对发电机的振动进行实测，为其结构 的改进设计提供依据【i ”。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 7 年，上海大学土木工摆系的叶志明，上海电机厂电机研究所的何福保、徐福 娣、黄德书，江苏瑾工大学振动研究所的张准等对我国最大的d o m e 式6 0 0 m w 汽轮 发电机的整机强度与振动特性作了详细地分析。用加筋壳体理论、有限元技术和模型 试验技术等方法对发电机整机戳及各主溪部件( 粥冷却器、定子、转子等) 进行了分析， 理论计算与模型的实验摸态分析结果的对比分析，结果诞明此种形式的发电机符合设 计标准，也满麓美国w h 公司的设计礁捌擎j ，僻“。 1 9 9 9 年，华北电力大学机械系的杜永祚、唐贵基、何青等进行了发电机端盖结构 动态特性分析及其故障诊断。通过对端盖的振动模态测试与分析，测得端盖的各阶模 态参数，用有限元法建立其振动特征方程，并通过子空间迭代法求其特征值和特征矢 量。发现端盖在工频附近存在固有频率、二阶固有频率谐振是造成励侧端盖振动故障 的主要原因。提出了端盖加筋的消振处理方案。理论分析和实测表明，加筋后大大改 善了端盖的动态特性，端盖振动也随之消除【2 1 】。 2 0 0 0 年，山东工业大学的唐委校为解决3 0 0 m w 汽轮发电机组低压端轴瓦振动过 大的问题对轴承座进行了实验模态分析和有限元计算，两者结果基本一致。据得到 的固有频率和振型提出了减少振动的措施【2 2 1 。 2 0 0 1 年，天滓大学机械工程学院力学与工程测试系的卿光辉、邱家俊、胡宇达应 用群表示理论和广义模态综合术相结合的方法，对一一2 0 0 m w 汽轮发电机定子系统进 行有限元动力分析，得到了定子系统冷态工况的三维模态。2 0 0 2 年，他们又依据麦克 斯威尔方程，采用解析法得到了汽轮发电机端区绕组的磁场分布情况，并推得了定子 端部绕组所受相应电磁力的计算式。在此基础上，对于端部两压板间的绕组线棒，给 出了电磁力激发下的非线性磁固耦合振动方程组。通过模态展开并运用多尺度法，分 别对非共振和组合共振情况下运动微分方程的解进行了分析。最后，运用数值计算方 法给出了振动幅值的变化规律，并对线棒间的绑扎带及压板松动对振动的影响进行了 分析。 汽轮发电机定子绕组端部振动模态的分析和测量国内做了大量的工作。例如； 2 0 0 2 年，河南电力试验研究所的潘勇、付刚、陈正平、张欲晓等分析了大型汽轮发电 机定子端部结构振动的机理，应用s p s 3 9 5 动态信号分析仪、s t a r 模态分析软件对 发电机端部结构进行模态试验分析，并提出对发电机端部结构的处理意见，以使发电 机端部结构的椭圆振型避开两倍的发电机基频，从而减少发电机端部结构的振动，提 高发电机的安全运行。浙江省电力试验研究所、安徽省电力试验研究所、哈尔滨大电 华中科技穴学硕士学位论交 机研究所、中国哙尔滨魄站设备集团公间、发电设备国容工程丽野究中心、华j i 呶力科 学磷究豌霄鞭责任公司、由东瑰力科学辑究院、由东电力工韭两等单位也做了裳戗的 工作 2 9 】“ 3 2 1 。 s t e p h e nd ，v e r m asee l l i s o naj ，y a n gsj ，w a t a m a b l es 。k e n j os ，i d ek ，s a t of ， a n d y a m a m o t o m 等对电机定予的固有频率和掇劝进行了贫析 j 驯” 3 7 1 0 k o e nd e l a e r e 等弼数蓬解磁场帮试验辐结合靛方法避行了奄辊振渤分辑鄹j 。 湖南大学与东方电机厂合作进行了太中型交流电机定予的搬动特性研究。邋过对 y r s 0 0 k w 雾步瞧动瓿寇予豹穰杰分辨试验，褥翻交流镪视定予的斋酚瀚有凝率、模 念振型、模态阻尼比 4 。 b e l m a n srjm ，k a k of 等对感禽电视电磁嗓声避行了很多理论分辑和实验研究 【4 i 】 4 2 1 t i m a r pl - 簿磷究了负载越感应电机声功率级噪声辐射的影晌潍j 。 上海电科所、西安交通、浙江大学、山东科技大学簿单位都进行了三相异步电机 结褐戆模态特瞧分析、旋载噪声分桥和试验研究。饲弼；浙江大学的祝长生、陈永校 等以试验模态技术为基础，详细地研究了- 4 , 型三相异步电机的各部件及其电机的整 体结构在不同羧态下静模态特瞧湃l 【4 9 】。 东南大学、南京航空航天大学、浙江大学、清华大学、扬州大学、天津大学、华 就电力大学、香港理工大学、广期电器科学研究所等单位进行了超声波毫枫振动模态 分析和窳验研究。例如；2 0 0 1 年，东南大学机械系的何平、张毅、张必发，广州电器 科学研究所的采海锋等运用有隈元的方法，利翔a n s y s 软件对超声波电税的定子进 行分析，得到定予的各阶模态情况。其计算结聚与实验使比较棚差较小。这表明了用 有限元方法对复杂的结构如超声波电机的定子的动力学分折憝一种有效方法，像为进 一步研究机体的优化、动力匹配和响应奠定了基础。2 0 0 2 年，东南大学电气工程系的 葵岳乎、胡敏强、徐恚辩、金麓、颓菊平、王心坚等进行了超声波电轨振动模态有限 元分析。描述了超声波电机振动模态分析数学横型。以赢径为1 0 0 m m 的环形行波型 超声渡电机为铡，给出了电视振动模态a n s y s 有限元分析结莱，特别阐述了躐优振 动模态的选择。并对制彳乍的电机进行了实验验证，结果表明：分析结果与实测结果一 致。2 0 0 2 年，浙江大学电气工程学院的鄣海训、郭吉丰、魏燕寝、陈永校等进行了大 力矩纵扭复合型超声波电机的理论及实验研究。提出了纵扭复会型超声波电机的设计 理论。同时，指出级振动系统设计精度低是导致级扭复合型超声波电机难以实黼模态 华中科技大学硕士学位论文 简并的主要原因。通过实验研究，分析了纵、扭转振动在各自谐振点附j 脏的振动特点， 得出谐强菲谐振点运行豹级稳复合登u s m 能输出较大力矩的原因5 2 卜1 5 7 1 。 其它还有很多，这照不再一一赘叙。 综上所述，模态分析和应力场计算已经成为新型电机研发和改进浚计所不可缺少 的方法之一。我国此方颇的工作起步较晚，且由于软件及软件开发使用人员的经费投 入大，人员要求高，司前，横态分析和应力场计算在电机中的斑瘸主癸集中在大型汽 轮发电机组和大型水电机组，其中哈尔滨电机厂、东方电机厂水平较领先。另外，各 大学在理论方掰有较多研究，在小型异步电动枫和超声波电机簿应用方面也做过很多 工作。但在以上的工作中，电机的建模和分析都用有限元分析软 牛，出于有限元分析 软件在分析功熊上很强大，但猩建模功能上功能不够，遮必然浮致两个后果：模型 简化过多，分析结果误差较大。且不同的人的分析结果差别较大；模型的修改很麻 颓。我在本课题中探索把c a d 软件与c a e 软件结合起来，用c a d 软件建穰，斓c a e 软件分析、计算，克服了上面的两个间题。 1 5 本课题的主要研究内容 推进电机的主要部件有：转子、定子以及轴承、冷却系统、励磁装置等部分组成。 根据推进电机的结构特点，确定以定子、轴承、转子、转子磁极等作为分析的主 要对象。 具体任务如下： ( 1 ) 利用三维实体建模软件p r o e 按照实际尺寸和有限元分析的要求对电机的定 子、转子、转子磁极等进行几何建模。 ( 2 ) 利用a n s y s 与p r o e 之间接口程序，实现几何模型的导入，并对其做前处 理，离散化、赋予材料属性、边界约束和载荷，生成有限元分析的物理模型。 ( 3 ) 应用a n s y s 进行静力学强度分析，得出结果，以了解应力分布和变形情况。 ( 4 ) 应用a n s y s 对电机进行振动模态分析，得出其固有频率和固有振型。 总之，本论文运用有限单元法对电机进行结构分析，可以使设计者对电机的应力 分布、变形状态和动态特性有较为准确的了解。本课题的研究一改过去以引进和经验 取值为主的设计模式，应用当今世界流行的大型商业化的工程分析软件进行分析设 计，对于这方面的实践也是一个有益的探索。 华中科技大学硕士学位论文 2 船用变频调速推进电动机的几何建模 进行有限元分析之前，首先要根据电机的几何外形建立它的实体模型，然后在此 基础上，才能建立有限元模型。因此几何模型的建模精度，直接关系到有限分析结果 的正确性，而对于建模软件则要求它能够构建复杂的几何曲面和实体特征，精度高， 并且具备一定的使用方便性，还要与有限元分析软件具有良好的接口程序，因此我们 在综合考虑多种因素，比较了几种流行的几何建模软件之后，选择了p r o e 软件作为 几何建模平台。 p r o e n g i n e e r 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统， 是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 p r o e n g i n e e r 功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或 线框造型，完整工程图产生及不同视图( 三维造型还可移动，放大或缩小和旋转) 。 p r o e n g i n e e r 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现， 其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、倒角( c h a m f e r s ) $ t l 抽空( s h e l l s ) 等，采用这种手段来建立 形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这个系统 的参数是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形 体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其 它相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。 造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色 打印机。p r o e n g i n e e r 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析 及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上p r o e n g i n e e r 软 件的其它模块或自行利用c 语言编程，以增强软件的功能。 2 1 1p r o e 建模的主要优点 由于p r o e n g i n e e r 软件集设计、分析、测试、制造为一体，为设计师们提供了 完善的产品开发环境，因而在实际的产品加工之前，有机会交互式修改设计过程，模 拟产品的性能和加工过程，从而减少重复劳动，避免因可能出现的设计失误而造成的 损失，节约了整个工程的成本，大大提高了生产率。 华中科技大学硕士学位论文 p r o e n g i n e e r 软件得到广泛的应用，还有以下几方面的原因： ( 1 ) 友好的用户界灏。p r o e n g m e 跗软件提供了一套详细的图形菜单，用户使用 鼠标可方便地选择菜单进行交互式设计。 ( 2 ) 功能定义系统。p r o e n g i n e e r 软件是一个功能定义系统，这意思是产品造型 是通过各种不同的设计专用功能产生，其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、倒角( c h a m f e r s ) 、 抽空( s h e l l ) 等，采用这种手段来建立造型，对设计师来说是更自然、更直观，无用采 用复杂的几何设计方式。 ( 3 ) 参数化功能。p r o e n g i n e e r 软件具有参数化功能，所谓参数化功能是指采用 符号来付于造型尺寸，不象其它系统是直接指定一些固定数值于造型上，这样设计师 可任意建立造型上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其它相关的特征也 会自动修改。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完善。 ( 4 ) 独特的数据结构。p r o e n g i n e e r 软件是建立在单一的数据库上，不象一些传 统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上。一个数据库的意思是不同工程上的资料 全来自一个地方，使每一个独立用户都能同时对一件产品进行设计工作。 ( 5 ) 工业标准。p r o e n g i n e e r 软件支持图形、用户接口及数据交换的工业标准。 ( 6 ) 硬件独立性。p r o e n g i n e e r 软件能在超过5 0 种不同的工作站上运行，其中 包括：d e c 、h p 、m m 、s u n 和s g i 等。由于p r o e n g i n e e r 软件的硬件独立性，用 户可自由选择其合适的工作站，亦可在微机上运行。 2 1 2p r o e 的建模思想 ( 1 ) 特征建模的思想 在p r o e n g i n e e r 中，特征是指组成图形的一组具有特定含义的图元，是设计 者在一个设计阶段完成的全部图元的总和，直到这些图元成功地显示在模型上为止。 特征划分有3 个主要依据：一是特征创建的原理，如拉伸实体特征和混合实体特征； 二是特征的用途，如实体特征和基准特征；三是特征的结构特点，如圆孔特征和筋特 征。 特征建模的思想为操作和管理图形上的图元提供了极大的方便。根据特征建模的 思想，一个三维实体模型就是由数量众多的特征以“搭积木”的方式组织起来的，因 此，特征是模型结构和操作的基本单位，模型创建过程也就是按照一定顺序依次向模 型中添加各类特征的过程。为了管理这些特征，系统设置了一个优秀的特征管理员一 一模型树。在模型树中按照特征创建的先后顺序列出组成模型特征的详细列表，并为 华中科技大学硕士学位论文 每一个特征分配一仓标识。模型树记录下了模型的创建轨迹，方便了设计者进一步修 改自己的设计意图。 ( 2 ) 参数化设计思想 在早期c a d 软件中，为了获得准确形状的几何图形，设计时必须依次定位组成 图形的各个图元的大小和准确位置。系统根据输入信息生成图形后，如果要对图形进 行形状改变则比较困难，因而设计灵活性差。 p r o e n g i n e e r 引入参数化设计思想，大大提高了设计灵活性。根据参数化设 计原理，绘图时设计者可以暂时舍弃大多数繁琐的设计限制，只需抓住图形的某一个 典型特点绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形 的尺寸数值，经过系统再生后即可获得理想的图形，这就是重要的“尺寸驱动”理论。 p r o e n g i n e e r 软件最强大之处在于其三维设计功能。在三维模型设计中，参 数化设计的最重要的体现就是模型的强大修改功能。系统提供了强大的修改工具和重 定义工具，通过这些工具，可以轻松修改模型的参数，变更设计意图，变更模型形状。 在模型修改时，以特征作为修改的基本单位。首先选取不合理的结构所在的特征， 使用特征重定义工具可以修改模型截面、模型属性等特殊参数；而模型上的大部分参 数的修改都可以通过直接使用特征修改工具来实现。在参数化设计中，特征中的每一 个参数为设计修改提供了入口，提供了特征修改的一条途径，是模型形状的一个控制 因素。 ( 3 ) 行为建模思想 行为建模( b m x ) 自从推出以来，已经成为一个设计过程自动化的流行工具。以往， 为了解决一个复杂的设计问题，用户不得不建立几何体，并对它进行评估，判断是否 满足要求，然后回头用手工费力地修改它，以获得最佳解决方案。在b m x 中，一个 新的最优化特征可以记忆设计目标。在对凸轮轴进行修改后，凸轮轴将自动找回平衡。 做为建模过程的一部分，b m x 通过捕捉设计意图，使这一交互过程自动化。例如， 根据它的大体形状、期望容量、以及任何必须满足的约束条件，用户能够为汽车定义 一个玻璃窗清洗器流体容器，然后，软件计算出符合条件的最佳参数，并且提供一系 列虚拟原型，以供选择。甚至在用户修改模型以后，它仍能确保继续满足设计目标。 例如，用户可能决定加长已经处于平衡状态的凸轮轴。当模型重新生成时，系统判断 出凸轮轴已经失去平衡，然后将改变以前指定的尺寸，以实现凸轮轴的重新平衡。b m x 的另一个称之为“响应曲面”的特征，可以在用户完成最初的行为建模研究以后，快 1 0 华中科技大学硕士学位论艾 速地生成附加虚拟原型。这一新特征快遽地从现存的数据流中导出另外的原型。此外， b m x 的另外一个增强功能是使用包含程e x c e l 电子表格中的产晶规范，如定价，蔽影 响模型。 ( 4 ) 单一数据库思想 所谓单一数据库就是在模型创建过程中，实体造型模块、工程图模块以及模型装 配模块等重要功能单元共享一个公共的数据库。采用这样的公共数据库的优越之处在 于设计者可以通过不同的渠道来获取数据库中的数据，也可以通过不同的渠道来修改 数据库中的数据，系统中的数据库是唯一的。 单一数据库的最大特点就是其实时性。根据尺寸驱动原理，一旦修改了模型中的 设计参数，也就修改了单一数据库中的资料，这个改动会驱动与模型相关各个设计环 节自动更新设计结果。因此，当多个设计单元共同开发一个产品时，所有设计单元中 可以随时获取最新的设计数据。在模型装配过程中，如果将设计完成的零件装配为组 件后发现效果并不理想，并不需要修改零件后再重新进行装配，这时可以修改不符合 设计要求的零件，一旦参与装配的零件被修改，其装配结果立即更新。对照装配图反 复修改零件的设计，最后就能够获得满意的装配结果。例如，一旦工程详图有改变， n c ( 数控) 工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个 三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得设计更优化，成品 质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 2 2 三维实体模型的建立 推进电机的几何建模，是在计算机中模拟推进电机的基本形体结构，它的建模准 确与否直接关系到以后的有限元分析的正确性。而且几何建模需要根据有限元分析的 要求构建模型，有时不能完全按照实际情况构建模型，需要根据有限元分析中对实际 的模拟情况以及保证计算的准确性和可行性等方面作适当的结构简化。 2 2 1 推进电机的基本结构状况 推进电机的主要部件有：转子、定予以及轴承、冷却系统、励磁装置等部分组成。 根据推进电机的结构特点，确定以定子、轴承、转子、转子磁极等作为分析的主 要对象。电机是一个机电能量转换装置，同步电动机通过气隙磁场把电枢中的电能转 化为转子的机械能，因此，同步电动机在结构上最关键的部分是静止的定子和转动的 转子，因此，利用三维实体建模软件p r o e 按照实际尺寸和有限元分析的要求对电机 华中科技大学硕士学位论文 的定子、转予进行几何建模，由于我们设计了使结构更加紧凑的端盖与轴承盖台为一 体的端菔式滑动轴承，轴承端盏直接与定子固定在一起，因此，建模时轴承与定予一 起建模，一起分析。由予转子磁极采用鸽尾的型式固定在转子磁轭上，在细化分析时， 对转予磁极进行单独建模，单独分析。 2 2 2 推进电机的几何建模过程 应用有限单元法和有限元软件进行分析的过程中，首先要进行离散化，也就是用 大量的实体单元划分结构实体，用单元来近似模拟结构的实际形状。由于电机的结构 形体巨大，而其上的一些相对较小的结构诸如退刀槽、小的螺栓孔、小的定位销孔、 小的过渡曲面、密封槽以及倒角等与电机的主要几何尺寸相差很大，在划分单元时势 必要造成单元的过度细化。又因为在做电机定子、转子的有限元分析时，这些相对细 小的结构对于应力、应变结果的影响并不是很大，所以为了避免划分细小结构时出现 特别小的单元，而且减少畸形单元出现的可能性，在几何建模时将这些结构简化、省 略。这种做法不仅可以是离散化更加合理，而且可以大大减少单元和节点的数量，节 省引算时间，又可以保证分析的正确性。 定子、转子、磁极的实体模型如下图： 图2 1 定子 图2 2 转子 图2 3 磁极 华中科技大学硕士学位论文 3 有限单元法和有限元分析软件a n s y s 有限单元法是在六七十年代发展起来的强有力的数值分析方法，它使许多复杂的 工程分析问题迎刃而解，而且由于前、后处理技术的发展，大型有限元分析软件逐步 商业化，使得有限单元法和有限元分析软件的计算效率非常高，实际应用越来越广泛。 为应用有限单元法和a n s y s 对推进电机结构进行分析，本章对有限单元法的相关理 论和a n s y s 软件进行介绍。 3 1 弹性力学基本方程 弹性力学是研究弹性体在外力作用或温度变化条件下所产生的应力和变形的一 门科学，比材料力学具有更高的严密性。在有限单元法中，经常要用到弹性力学的基 本方程。有限单元法是与弹性力学密不可分的，弹性力学是弹性体的力学问题的解析 解法，而有限单元法是弹性体力学问题的数值解法之一，且应用灵活方便，适用范围 广泛。弹性力学也是有限单元法的基础理论之一，在推导有限单元法过程中经常要用 到弹性力学的基本方程。 3 1 1 弹性力学的基本量 弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应力分量来表示。弹性 体还将产生位移和变形，即弹性体位置的移动和形状的改变。 位移列阵口) = k v w r 应力列阵p ) = hq 盯：吃j 应变列阵叠) = bg ，t 比j 3 1 2 外力与内力的关系静力平衡方程 弹性体v 域内任一点沿坐标轴x ，y ，z 方向的平衡方程为 孥+ 孥+ 孥+ 万：o 孤 a v a z “ 华中科技大学硕士学位论文 孥+ 孥+ 誓+ 万：o ( 3 t 1 ) 溉巩兹 ” 冬+ 孥+ 誓+ 五：o 派a v蔽 。 接中百百万为单元体积的体积力襁x ，y z 方向的分量。 3 1 3 位移与应变关系几何方程 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高次幂，则应变向量和位移向 量问的几何关系有 2 乏一百西批孤舢 z ， a va va w孤a w + 面2 2 瓦+ 面如2 2 瓦+ 面 3 1 4 应力与应变关系物理方程 弹性力学中应力与应变之间的转换关系也称弹性关系。对于各向同性的线弹性材 料，应力通过应变的表达式可用矩阵形式表示： 扫) = d 恬) ( 3 3 ) 其中 【d 】= 丽e ( 1 - v ) 1 上上0 1 一v1 一v 1 j l 0 1 一v lo 对 称 l 一2 v 2 ( i v ) oo oo oo oo 三竺0 2 ( 1 一v ) 1 2 v 2。1。(11。-。v) ( 3 4 ) 称为弹性矩阵。它完全取决于弹性体材料的弹性模量e 和泊松比v 。 表征弹性体的弹性，也可用拉梅( l a m e ) 常数g 和九： g g ：去， ；l ( 3 5 ) 2 互丽肛( 1 + v x 1 - 2 v ) u 。 1 4 0 孤一砂 = 立孤 巳 华中科技大学硕士学位论文 g 也称为剪切弹性模量。注意到 丑十2 g = f e 而( 1 - v 砑) 物理方稔中静弹性矩降【d 疆可表示为 d = 丽e ( 1 - v ) 五+ 2 g五五000 a + 2 g五o0o 五+ 2 go00 对g00 称 g0 g ( 3 6 ) ( 3 7 ) 物理方程的另一种形式是 斜= 【c 肛)( 3 8 ) 其中【c 】为柔度矩阵。 c 】_ d 一，它和弹性矩阵是互逆关系。 3 2 有限元法概述 有限单元法最初是在5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的，随着计算机 的发展而逐渐发展成为用于各种结构分析的数值计算方法和分析各种大型复杂结构 问题的强有力的工具。 3 2 1 有限元法的基本概念及发展应用 有限单元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是工程方法和数 学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方法无法解决的问题以及边界条件和 结构形状很不规则的复杂机械结构。不论结构的几何形状和边界条件多么复杂，不论 材料性质和外加载荷如何多变，使用有限单元法均可获得较满意的答案。 有限单元法的基础是结构离散和分片插值，其核心思想就是结构的离散化，就是 将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过 对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的