基于ansys workbench油田電機機座結構的有限元分析

1、<p>　　基于ANSYS WORKBENCH油田電機機座結構的有限元分析</p><p>　　摘要：機座是油田電機中重要零件之一，文章介紹ANSYS WORKBENCH有限元方法對油田電機機座進行強度、剛度、模態(tài)分析，分析結果表明電機結構滿足設計要求，為同類產品設計、開發(fā)、改進提供了參考依據 </p><p>　　關鍵詞：機座 模態(tài) ANSYS 強度 剛度 有限元 </p

2、><p>　　機座是油田電機中重要零件之一。由于機座的結構復雜， 用簡單的材料力學公式很難精確分析和計算其受力和變形情況。在以往的設計中， 往往是根據經驗或參考有關樣機來進行設計， 處于經驗類比設計階段。這種設計方法， 勢必導致設計結果趨于保守。本文應用CATIA進行產品的參數化實體建模，利用有限元方法，從靜力學和模態(tài)進行電機機座力學分析，得到機座在靜力作用下的強度、剛度；模態(tài)的固有振動頻率，可以達到校核機械結構的強

3、度和剛度、分析出主要失效形式和危險點的目的，從而為產品的設計和優(yōu)化提供理論依據；模態(tài)是機械結構的固有振動特性，利用有限元軟件對轉子進行模態(tài)分析，可以得到的模態(tài)頻率及振型，預測轉子與其他部件發(fā)生動態(tài)干擾的可能性，從而對機座結構進行合理設計，避開共振的發(fā)生。ANSYS WORKBENCH的前處理模塊、分析計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有限元計算是建立在位移法基礎上的剛度矩陣法， 其通式可寫成： </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

5、 </b></p><p>　　1.2軟件中的動力學分析中的模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型問題： </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]--質量矩陣 </p><p><b>　　2、建立模型 </b></p><p>　　利用CATIA軟件建立機座三維模型，將機座、定子鐵心、端蓋分為三個部件，然后再裝配為組件，并對定子線圈進行等效簡化，計算出等效密度，得出三維模型后另存為“.CATPart”文件，并導人ANSYS WORKBENCH，如圖1所示。 </p><p>　　圖

7、1 機座三維模型 </p><p><b>　　4、材料定義 . </b></p><p>　　ANSYS WORKBENCH系統(tǒng)計算需要材料的彈性模量、泊松比和密度。材料定義時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

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>　　機座與鐵心接觸面，建立約束條件為綁定，端蓋與機座孔建立綁定約束； </p><p><b>　　6、劃分網格 </b></p><p>　　選擇六面體網格劃分，完成后結點數為545682，單元數為2961708；網格質量等級為sk

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

11、轉子等重量：m=796kg；徑向力：F1=6553.5N；F2=5746.5N；單邊磁拉力：F3=1230N；最大轉矩M=11460N.m（考慮2倍安全系數）；風機重量：G1=2000N，機座四個底腳孔全約束 </p><p><b>　　8、靜力分析 </b></p><p>　　8.1 應力分析圖 </p><p><b>　　圖

12、3 應力分析圖 </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 分析結論 </b></p><p>　　類別 最大值 位置 </p><p>　　總變形 0.04700

13、2mm 進風口板 </p><p>　　應力分析 63.437MPa 地腳孔 </p><p>　　本電機氣隙為2mm，故允許的最大變形為0.2mm，滿足要求。最大應力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 機座1階模態(tài) </p><p>　　圖6 機座2階模態(tài) </p><p>　　圖7 機座

15、3階模態(tài) </p><p>　　圖8 機座4階模態(tài) </p><p>　　圖9 機座5階模態(tài) </p><p>　　圖10 機座6階模態(tài) </p><p><b>　　9.2模態(tài)結論 </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>　　從機座整體模態(tài)結果分析看，固有頻率與理論值激振力頻率（67Hz）無重合區(qū)（63.65～70.35Hz），無共振現(xiàn)象。從上面的振型圖中可以看出，整個結構的模態(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渡。 </p><p><b>　　10、結束語 </b><

17、;/p><p>　　結果經有限元理論分析，機座的剛度、強度、模態(tài)分析均滿足工況需求，無共振現(xiàn)象。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]陳世坤.電機設計.機械工業(yè)出版社，1987 </p><p>　　[2]曹樹謙.張文德，蕭龍翔.振動結構模態(tài)分析-理論、實驗與應用[M].天京大學出版