坎贝尔图
从图1可以看出,转子的临界转速按阶数由低到高分别为546.41prm、1148.76rpm、2217.89rpm、3162.96rpm、2097.02rpm、0、3591.12rpm、0,与理论解一致。
在谐响应分析中,以复数形式输入偏向质量所产生的不平衡力(X轴为旋转轴)。 对于圆盘1为
F,N1,FY,m1*e1*cos?1,-m1*e1*sin?1 F,N1,FZ,-m1*e1*sin?1,-m1*e1*cos?1
对于圆盘2为
F,N2,FY,m2*e2*cos?2,-m2*e2*sin?2 F,N2,FZ,-m2*e2*sin?2,-m2*e2*cos?2
在后处理中采用PLVAR命令输出圆盘1和圆盘2节点的总位移变化曲线。
圆盘节点位移随激励频率变化关系
从图2可以看出,曲线在19.2Hz和52.7Hz出现峰值,该两个峰值频率对应同步正进动(涡动)临界转速1152rpm和3162rpm,与模态分析结果相对应。
当频率为19.2Hz时,采用PLORB命令得到转子系统的轴心轨迹图如下。
轴心轨迹图(1152rpm)
当频率为52.7Hz时,采用PLORB命令得到转子系统的轴心轨迹图如下。
轴心轨迹图(3162rpm)
当转速为250 1/s,即39.8Hz时,采用PLORB命令转子系统的轴心轨迹图如下。
轴心轨迹图(2387.32rpm)
采用PRORB命令输出该转速下的轴心轨迹数据,两圆盘中心轨迹为
图6 轴心轨迹数据(2387.32rpm)
图6中A代表椭圆的长轴、B代表椭圆的短轴,圆盘1的轴心轨迹是半径为0.797e-4m的圆,圆盘2的轴心轨迹是轨迹为半径0.308e-4m的圆,与理论解一致。
3 双转子电机不平衡响应分析(ANSYS Workbench)
3.1 问题描述
如图所示的电机含有两个转子:内转子和外转子。
内转子是一根实心轴,较长;它的两端通过轴承与机架相连;在两端距离轴承不远的地方装有两个圆盘(图中没有绘制,在有限元分析中圆盘会用质量单元表示),而且右边的圆盘上存在不平衡质量,该不平衡质量产生了不平衡的力(f0 = 70e-6kg·m)。
外转子是一根空心轴,它套在内转子外面。外转子的左端与机架通过轴承相连,右端面通过轴承与内转子连接(图中没有表示出来)。在外转子上也有两个圆盘,这两个圆盘不存在偏心质量的问题。
内转子的转速是14000rpm,而外转子的转速是内转子的1.5倍,即21000rpm。 现在要对该双转子电机进行转子动力学仿真,具体是做谐响应分析,目的是考察:
(1)7号节点(内转子上)和12号节点(外转子上)的幅值与频率的关系图。也就是要绘制这两个点的幅频关系曲线。
(2)在某一个给定频率处的转轴轨迹图。 (3)在某一个给定频率处转轴的涡动动画。
注:例子来自ANSYS help中转子动力学——8.7. Example Unbalance Harmonic Analysis。
双转子电机示意图
3.2 模型建立
在ANSYS DM中插入内转子与外转子模型,具体方式为file—import shaft geometry,得到模型如下:
3.3 约束加载
在ANSYS Mechanical里面,分别给内转子的2号节点、7号节点和外转子的10号节点、12号节点添加圆盘相关参数(质量和转动惯量);随后在connection里添加轴承约束;在7号节点的施加不平衡力,其中y方向为70e-6,z方向为-70e-6;在Analysis Setting中设置激励频率为0~233.3Hz,结果点数为500,采用完全法求解,常阻尼比为0.02.
3.4 模拟结果
NSYS Workbench得到7号节点(内转子上)和12号节点(外转子上)的幅值与频率的关系图如下: