彭 攀

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

動力系統(tǒng)是艦船的一個重要子系統(tǒng)。船舶動力系統(tǒng)在各種工況下均可連續(xù)、可靠、高質(zhì)量運行，它不僅是保證艦船發(fā)揮其效能的必要條件，也是保證艦船生命力和重要設(shè)備生命力的必要條件。因此，提高動力系統(tǒng)(主要是推進式異步電動機)在船體遭受波浪、水下爆炸等沖擊載荷作用下的抗沖擊能力，就相應(yīng)提高了動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提高了整個艦船和重要設(shè)備的生命力[1]。

由于電機系統(tǒng)進行沖擊試驗投入人力大、費用高，測試所獲得的數(shù)據(jù)有限等諸多限制，人們普遍趨向于采用低成本、高性能和高仿真的有限元數(shù)值模擬仿真方法。當前，這類仿真方法主要是利用有限元分析軟件，比如ANSYS、LS-DYNA、NASTRA、HYPERMESH等[2-3]。

ANSYS由于其強大的流固耦合功能和多學(xué)科兼容性而得到了廣泛的應(yīng)用。本文系統(tǒng)地分析了某異步推進電動機在遭受沖擊載荷作用下的動力特性，結(jié)合當前ANSYS軟件，建立了相應(yīng)的有限元仿真模型，完整地敘述了仿真計算方法和分析過程，并給出了類似情況相應(yīng)的分析方法和模型修改意見。

1 問題描述

型號YBKS10000-12，10 MW異步推進電機的工作環(huán)境為大型船舶，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速200 r/min。電機由基座左右各一塊底板通過鉚釘連接在船體上，轉(zhuǎn)子由兩支撐軸承支撐。其3D模型如圖1所示。假定水底某方向突然發(fā)生爆炸，對船體產(chǎn)生一個加速度(通過計算我們定該加速度為15 g)，由于電機固定在船體上，因而電機本身也受到同樣的加速度?？紤]電機在這個沖擊環(huán)境下工作的穩(wěn)定性，我們要求：轉(zhuǎn)子本體產(chǎn)生的最大變形不超過氣隙，以免發(fā)生“掃膛”現(xiàn)象；同時，電機地腳螺栓不能斷裂，以免電機整體和船體分離。

圖1 電機三維模型

2 基本尺寸和材料參數(shù)

主要控制尺寸如表1所示。

表1 控制尺寸 單位：mm

取用材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

3 分析思路

由于模態(tài)變形的不對稱性以及整機結(jié)構(gòu)的特殊性，考慮簡化忽略一些不確定性因素，因此先采用整機三維CAD建模，對于套在軸上與軸同時旋轉(zhuǎn)的部件如護環(huán)、導(dǎo)條、擋風(fēng)環(huán)等，首先計算出這些部件的質(zhì)量，并求得相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量將其施加對應(yīng)的軸段上，等效為圓截面[4]，再在ANSYS中對其拓撲結(jié)構(gòu)進行簡化和修改，刪除倒角和小尺寸孔洞，以消除應(yīng)力集中效應(yīng)，提高計算精度。其轉(zhuǎn)子最終的FEM模型如圖2所示，該模型含有12 080個單元，32 266個節(jié)點。由于對電機整體進行瞬態(tài)動力學(xué)分析需要耗費較大的計算資源，需要考慮的因素有以下幾點：

圖2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的FEM模型

(1) 高度非線性(接觸，碰撞，間隙剛度)；

(2) 穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的轉(zhuǎn)變；

(3) 時間積分。

為了準確分析計算，我們必須對可能發(fā)生的情況有一個充分的了解。因此我們還需要確定的因素有：

(1) 間隙剛度(試算為3.24×1012Pa)；

(2) 接觸正則懲罰系數(shù)和阻尼(默認)，忽略質(zhì)量阻尼α，阻尼比β取為5；

(3) 積分時間(分別對每個零部件進行模態(tài)分析，取加權(quán)平均模態(tài)確定各自積分時間，分別取最大和最小時間為積分時間，并結(jié)合接觸剛度確定ITS)；

(4) 沖擊載荷作用時間(0.5 s)；

(5) 單邊磁拉力(以穩(wěn)態(tài)運行15 g的加速度下產(chǎn)生的徑向位移所對應(yīng)的磁拉力與“掃膛”零界位移對應(yīng)的磁拉力的加權(quán)平均值計12 289.5 N)。

通過反復(fù)的研究分析，我們確認了如下基本思路：

單個零件模態(tài)分析—轉(zhuǎn)子部分穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析—將轉(zhuǎn)子計算結(jié)果施加在基座部分求其穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析—形成分析報告。

底板Q345鋼材料屈服強度按345 MPa，許用應(yīng)力為其70%，不高于241.5 MPa；軸15MnMoV屈服強度大于370 MPa，許用應(yīng)力為其70%，不高于259 MPa；轉(zhuǎn)子本體最大徑向位移7 mm，計為許用徑向位移。

4 有限元計算結(jié)果

4.1 固有頻率及積分時間的計算

圖3a、3b、3c分別是機座的一、二、三階模態(tài)(1.33 Hz、2.84 Hz、4.13 Hz)；圖4a、4b分別是轉(zhuǎn)子的一、二階固有頻率(2.79 Hz、6.14 Hz)；分別求取機座和轉(zhuǎn)子的加權(quán)固有頻率分別為3.7 Hz和7.24 Hz，由此計算得到最大和最小積分時間0.138 s和0.267 s。轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速為200 r/min，其工作頻率值fg=3.33 Hz，而(fg-f1)/fg×100%=16.2%，(f2-fg)/fg×100%=84.4%，均滿足工程上避開15%的要求，此外轉(zhuǎn)子的其他各階固有頻率都已避開了激振源頻率，且無倍頻關(guān)系存在，所以從振動角度來看，轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生共振，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是安全的[5]。

4.2 穩(wěn)態(tài)運行時力學(xué)性能的計算

圖5a、5b為轉(zhuǎn)子在未受沖擊載荷時的等效應(yīng)力和總的位移。載荷條件為：轉(zhuǎn)速200 r/min，重力加速度9.81 kg/m2。可以看出此時系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力發(fā)生在軸承處，大小為35.73 MPa，而轉(zhuǎn)子本體的最大位移為0.02 mm(遠小于氣隙的10%，即0.7 mm)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖6a、6b為轉(zhuǎn)子在受15 g沖擊載荷時的等效應(yīng)力和總的位移，轉(zhuǎn)速200 r/min，重力加速度-147.15 kg/m2。圖6c為軸在受15 g沖擊載荷時的等效應(yīng)力。可以看出此時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力發(fā)生在軸承處， 大小為464.7 MPa，而轉(zhuǎn)子本體的最大位移為0.18 mm(遠小于氣隙的10%，即0.7 mm)，計算安全系數(shù)為3.8，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的。由圖6c可知軸的最大等效應(yīng)力發(fā)生在軸承作用位置處，大小約為40 MPa(遠小于許用應(yīng)力259 MPa)，軸也是穩(wěn)定的。

圖3 機座的固有頻率

圖4 轉(zhuǎn)子的固有頻率

圖5 未受沖擊載荷時轉(zhuǎn)子的等效應(yīng)力和總的位移

圖6 15 g載荷作用下轉(zhuǎn)子的等效應(yīng)力、總的位移和軸的等效應(yīng)力

4.3 瞬態(tài)運行時力學(xué)性能的計算

將軸承處的等效應(yīng)力施加在基座上，并對其施加15 g沖擊載荷得到機座在受15 g沖擊載荷時的等效應(yīng)力和總的變形如圖7a、7b所示。可以看出最大等效應(yīng)力發(fā)生在軸承偏右一側(cè)，其值約為560 MPa，如圖8所示，強度遠超一般合金鋼，設(shè)計時應(yīng)考慮修改相應(yīng)材料。分析原因為：轉(zhuǎn)子本體很大(直徑1 830 mm，導(dǎo)致產(chǎn)生很大慣性)，同時轉(zhuǎn)子本體全部質(zhì)量都作用在軸承上，在沖擊載荷作用下，轉(zhuǎn)子對軸承產(chǎn)生一個很大的沖擊附加值，又由于轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動對該沖擊有偏轉(zhuǎn)作用，從而導(dǎo)致最大應(yīng)力發(fā)生在軸承偏右處。圖9為最大等效應(yīng)力附近單元應(yīng)力變化。

圖7 受沖擊載荷時系統(tǒng)的等效應(yīng)力和總的位移

圖8 軸承最大應(yīng)力處等效應(yīng)力變化

圖9 最大等效應(yīng)力附近單元應(yīng)力變化

圖10為轉(zhuǎn)子本體在沖擊作用下最大位移處單元的位移變化(對應(yīng)于圖7b)，可知在沖擊的整個過程中，轉(zhuǎn)子本體的位移一直在增大，最大位移為2.25 mm(小于7 mm)，不致“掃膛”，因此轉(zhuǎn)子本體的設(shè)計滿足工況，設(shè)計可行。

圖10 轉(zhuǎn)子本體最大位移處位移變化

底板沿軸向方向上有代表性的節(jié)點的位移及其對應(yīng)的最大等效應(yīng)力，可以看出節(jié)點最大位移發(fā)生在傳動端的另外一邊沿軸向距離擋板約為250 mm處，值為2.64 mm；此處對應(yīng)的最大等效應(yīng)力為248 MPa(大于Q345鋼的70%的屈服強度241.5 MPa，但是小于15MnMoV的70%屈服強度259 MPa)，建議設(shè)計時在此處采用15MnMoV的鉚釘，或者70%屈服強度大于238 MPa的材料。

5 結(jié)論

(1) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階固有頻率均滿足工程上避開激振源頻率15%的要求，且無倍頻關(guān)系存在，所以從振動角度來看，轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生共振，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是安全的。

(2) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力加速度和15 g的沖擊載荷下，潛在危險點發(fā)生在軸承處，最大等效應(yīng)力為464.7MPa；而轉(zhuǎn)子本體的最大位移為0.18 mm(小于氣隙的10%，即0.7 mm)，安全系數(shù)3.8，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的。

(3) 15 g瞬態(tài)沖擊載荷的作用下，系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力發(fā)生在軸承偏右一側(cè)，其值約為560 MPa，強度遠超一般合金鋼，設(shè)計時應(yīng)考慮修改相應(yīng)材料。

(4) 在底板設(shè)計的材料選擇時，建議采用15MnMoV的鉚釘，或者70%屈服強度大于238 MPa的材料。