基于ansys workbench油田電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)的有限元分析

1、<p>　　基于ANSYS WORKBENCH油田電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)的有限元分析</p><p>　　摘要：機(jī)座是油田電機(jī)中重要零件之一，文章介紹ANSYS WORKBENCH有限元方法對(duì)油田電機(jī)機(jī)座進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析，分析結(jié)果表明電機(jī)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、改進(jìn)提供了參考依據(jù) </p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)座 模態(tài) ANSYS 強(qiáng)度 剛度 有限元 </p

2、><p>　　機(jī)座是油田電機(jī)中重要零件之一。由于機(jī)座的結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 用簡(jiǎn)單的材料力學(xué)公式很難精確分析和計(jì)算其受力和變形情況。在以往的設(shè)計(jì)中， 往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考有關(guān)樣機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 處于經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)階段。這種設(shè)計(jì)方法， 勢(shì)必導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果趨于保守。本文應(yīng)用CATIA進(jìn)行產(chǎn)品的參數(shù)化實(shí)體建模，利用有限元方法，從靜力學(xué)和模態(tài)進(jìn)行電機(jī)機(jī)座力學(xué)分析，得到機(jī)座在靜力作用下的強(qiáng)度、剛度；模態(tài)的固有振動(dòng)頻率，可以達(dá)到校核機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)

3、度和剛度、分析出主要失效形式和危險(xiǎn)點(diǎn)的目的，從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)；模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，利用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到的模態(tài)頻率及振型，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子與其他部件發(fā)生動(dòng)態(tài)干擾的可能性，從而對(duì)機(jī)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避開(kāi)共振的發(fā)生。ANSYS WORKBENCH的前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊能夠較好地完成此部分工作。 </p><p><b>　　1、分析理論 </b

4、></p><p>　　1.1有限元計(jì)算是建立在位移法基礎(chǔ)上的剛度矩陣法， 其通式可寫(xiě)成： </p><p>　　[S]{D}={F} </p><p>　　式中 [S] 剛度矩陣 </p><p><b>　　{D} 位移向量 </b></p><p><b>　　{F} 載荷項(xiàng)

5、 </b></p><p>　　1.2軟件中的動(dòng)力學(xué)分析中的模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型問(wèn)題： </p><p>　　其中[K]-剛度矩陣 </p><p>　　{ }--第i階模態(tài)的振型向量 </p><p>　　--第i 階模態(tài)的固有頻率 </p><p>　　[

6、M]--質(zhì)量矩陣 </p><p><b>　　2、建立模型 </b></p><p>　　利用CATIA軟件建立機(jī)座三維模型，將機(jī)座、定子鐵心、端蓋分為三個(gè)部件，然后再裝配為組件，并對(duì)定子線圈進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，計(jì)算出等效密度，得出三維模型后另存為“.CATPart”文件，并導(dǎo)人ANSYS WORKBENCH，如圖1所示。 </p><p>　　圖

7、1 機(jī)座三維模型 </p><p><b>　　4、材料定義 . </b></p><p>　　ANSYS WORKBENCH系統(tǒng)計(jì)算需要材料的彈性模量、泊松比和密度。材料定義時(shí)將上述三種材料屬性輸入即可如表1。 </p><p><b>　　表1 </b></p><p><b>　　項(xiàng)

8、 彈性模量 </b></p><p>　?。∟/m2） 密度 </p><p>　　（kg/m3） 泊松比 </p><p>　　定子 2.0e11 14140（等效密度） 0.3 </p><p>　　機(jī)座 2.0e11 7850 0.3 </p><p>　　端蓋 1.47e11 7800 0.3 &l

9、t;/p><p><b>　　5、建立約束 </b></p><p>　　機(jī)座與鐵心接觸面，建立約束條件為綁定，端蓋與機(jī)座孔建立綁定約束； </p><p><b>　　6、劃分網(wǎng)格 </b></p><p>　　選擇六面體網(wǎng)格劃分，完成后結(jié)點(diǎn)數(shù)為545682，單元數(shù)為2961708；網(wǎng)格質(zhì)量等級(jí)為sk

10、ewness為0.76.如圖2所示 </p><p><b>　　圖2 網(wǎng)格劃分 </b></p><p><b>　　7、約束與載荷 </b></p><p>　　電機(jī)機(jī)座在實(shí)際工況下，除了承受機(jī)座本身的重力外，還承受轉(zhuǎn)子的重量，單邊磁拉力，將其等效為軸承力；轉(zhuǎn)矩包括工作轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載突然變化電機(jī)突然短路時(shí)的靜態(tài)電磁力矩，

11、轉(zhuǎn)子等重量：m=796kg；徑向力：F1=6553.5N；F2=5746.5N；單邊磁拉力：F3=1230N；最大轉(zhuǎn)矩M=11460N.m（考慮2倍安全系數(shù)）；風(fēng)機(jī)重量：G1=2000N，機(jī)座四個(gè)底腳孔全約束 </p><p><b>　　8、靜力分析 </b></p><p>　　8.1 應(yīng)力分析圖 </p><p><b>　　圖

12、3 應(yīng)力分析圖 </b></p><p>　　8.2 總體變形圖 </p><p><b>　　圖4 總體變形圖 </b></p><p><b>　　8.3 分析結(jié)論 </b></p><p>　　類別 最大值 位置 </p><p>　　總變形 0.04700

13、2mm 進(jìn)風(fēng)口板 </p><p>　　應(yīng)力分析 63.437MPa 地腳孔 </p><p>　　本電機(jī)氣隙為2mm，故允許的最大變形為0.2mm，滿足要求。最大應(yīng)力63.437MPa<δs（235）滿足要求。 </p><p><b>　　9、模態(tài)分析 </b></p><p><b>　　9.1模態(tài)

14、求解 </b></p><p>　　考慮到自身重力以及邊界約束條件，分析前20階模態(tài)，其中前6階模態(tài)如下圖所示： </p><p><b>　　9.2.模態(tài)振形 </b></p><p>　　圖5 機(jī)座1階模態(tài) </p><p>　　圖6 機(jī)座2階模態(tài) </p><p>　　圖7 機(jī)座

15、3階模態(tài) </p><p>　　圖8 機(jī)座4階模態(tài) </p><p>　　圖9 機(jī)座5階模態(tài) </p><p>　　圖10 機(jī)座6階模態(tài) </p><p><b>　　9.2模態(tài)結(jié)論 </b></p><p>　　1 2 3 4 5 6 </p><p>　　78.185

16、141.19 197.42 236.62 266.87 323.32 </p><p>　　從機(jī)座整體模態(tài)結(jié)果分析看，固有頻率與理論值激振力頻率（67Hz）無(wú)重合區(qū)（63.65～70.35Hz），無(wú)共振現(xiàn)象。從上面的振型圖中可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)形式都比較好，不存在局部薄弱環(huán)節(jié)，其振型的變形情況是均勻過(guò)渡。 </p><p><b>　　10、結(jié)束語(yǔ) </b><

17、;/p><p>　　結(jié)果經(jīng)有限元理論分析，機(jī)座的剛度、強(qiáng)度、模態(tài)分析均滿足工況需求，無(wú)共振現(xiàn)象。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，1987 </p><p>　　[2]曹樹(shù)謙.張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析-理論、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天京大學(xué)出版