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基于ANSYS的电机转子的动力学分析发表时间：2009-4-27 作者: 张洪才关键字: CAEansys转子动力学现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。本文使用ansys研究了电机转子动力学问题，得出ansys可以计算转子动力学问题。 1 引言 转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。 由于材质的不均匀，制造、加工及安装误差等，转子系统不可避免的存在着质量偏心，同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损和介质的姑附等现象，这些因素或多或少都会导致转子不平衡的增大从而使转子的不平衡振动增大。由过大的不平衡量引起的转子系统的振动是十分有害的，它使机械的效率降低、载荷增加，使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短寿命，较大的振动还会恶化操作人员的劳动环境，甚至会导致发生机毁人亡的严重事故。消除或者减小转子系统的振动首先考虑是对转子进行平衡。 现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。转子设计和发展的这种趋势对转子的质量不平衡提出了严格的限制。这种情况下，转子的动力学变得更加突出和重要。本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题，为转子动力学设计找到了一个新的途径。2 模型的建立及计算 如图1所示，为电子转子的有限元模型，使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承。 图1 电机转子的有限元模型（不显示单元） 图2 电机转子的有限元模型（显示单元） 图3给出了Beam188 单元的几何简图。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。 Beam188是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。 当NLGEOM 打开的时候，beam188 的应力刚化，在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法）分析特征值屈曲和塌陷）。 Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。 图4给出了COMBI214单元的几何简图。COMBI214是专门用来模拟轴承力学性质的单元，可以考虑拉压，但不能考虑弯曲和扭转。这个弹簧阻尼单元没有质量，如果需要质量则通过添加MASS21单元来实现。图3 BEAM188单元的几何模型简图 图4 COMBI214单元的几何模型简图 表1到表3分别给出了转轴的计算参数和两个轴承的计算参数。转子外载荷为重力和扭矩。进行谐响应分析来找出电机转子的共振频率点。以便使转子的实际工作转速避开此点。不考虑转子加工的所引起的质量偏心，而只考虑转轴因受到重力而产生的偏心。电机的驱动力矩的频率从0变化到400Hz间隔为0.5Hz。表1 转子的主要计算参数表2 1号轴承的计算参数表3 2号轴承的计算参数分页 图6到图10给出了电机转子的计算结果：图6给出了5个考察点的y方向的位移与激励频率的关系图，由图可知：电机转子有两个共振点分别是162Hz和240Hz，且电机右端点处的振动幅度最大，电机转子左端点和中心转子处的振动幅度相当。图5 电机转子的考察点 图6 各考察点的位移与频率的关系 图7 162Hz时的转子的位移云图 图8 162Hz时的转子的等效应力云图 图9 240Hz时的转子的位移云图 图10 162Hz时的转子的位移云图 图7和图8给出一阶共振频率的位移等效云图和应力等效云图，由两图可知当外界的激励频率达到160Hz时，电机作摆振，且最大应力为7.8MPa。图9和图10给出了二阶共振频率时的电机位移和等效应力云图。由图可知：电机的二阶共振频率的位移和应力远小于一阶的值，因此对于本文的电机轴主要要避开一阶共振点。 3 结论 通过以上分析和计算可以得出以下结论： （1）本文提出的使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS2