彭 攀

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

動(dòng)力系統(tǒng)是艦船的一個(gè)重要子系統(tǒng)。船舶動(dòng)力系統(tǒng)在各種工況下均可連續(xù)、可靠、高質(zhì)量運(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)(主要是推進(jìn)式異步電動(dòng)機(jī))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(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)提高了整個(gè)艦船和重要設(shè)備的生命力[1]。

由于電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)投入人力大、費(fèi)用高，測(cè)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(dāng)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(qiáng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)在遭受沖擊載荷作用下的動(dòng)力特性，結(jié)合當(dāng)前ANSYS軟件，建立了相應(yīng)的有限元仿真模型，完整地?cái)⑹隽朔抡嬗?jì)算方法和分析過(guò)程，并給出了類似情況相應(yīng)的分析方法和模型修改意見(jiàn)。

1 問(wèn)題描述

型號(hào)YBKS10000-12，10 MW異步推進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境為大型船舶，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速200 r/min。電機(jī)由基座左右各一塊底板通過(guò)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(duì)船體產(chǎn)生一個(gè)加速度(通過(guò)計(jì)算我們定該加速度為15 g)，由于電機(jī)固定在船體上，因而電機(jī)本身也受到同樣的加速度?？紤]電機(jī)在這個(gè)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(guò)氣隙，以免發(fā)生“掃膛”現(xiàn)象；同時(shí)，電機(jī)地腳螺栓不能斷裂，以免電機(jī)整體和船體分離。

圖1 電機(jī)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(duì)稱性以及整機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，考慮簡(jiǎn)化忽略一些不確定性因素，因此先采用整機(jī)三維CAD建模，對(duì)于套在軸上與軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)的部件如護(hù)環(huán)、導(dǎo)條、擋風(fēng)環(huán)等，首先計(jì)算出這些部件的質(zhì)量，并求得相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將其施加對(duì)應(yīng)的軸段上，等效為圓截面[4]，再在ANSYS中對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)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(gè)單元，32 266個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析需要耗費(fèi)較大的計(jì)算資源，需要考慮的因素有以下幾點(diǎn)：

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(shí)間積分。

為了準(zhǔn)確分析計(jì)算，我們必須對(duì)可能發(fā)生的情況有一個(gè)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(rèn))，忽略質(zhì)量阻尼α，阻尼比β取為5；

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

(4) 沖擊載荷作用時(shí)間(0.5 s)；

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

通過(guò)反復(fù)的研究分析，我們確認(rèn)了如下基本思路：

單個(gè)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(jì)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(bào)告。

底板Q345鋼材料屈服強(qiáng)度按345 MPa，許用應(yīng)力為其70%，不高于241.5 MPa；軸15MnMoV屈服強(qiáng)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(jì)為許用徑向位移。

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 固有頻率及積分時(shí)間的計(jì)算

圖3a、3b、3c分別是機(jī)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(jī)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(jì)算得到最大和最小積分時(shí)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(kāi)15%的要求，此外轉(zhuǎn)子的其他各階固有頻率都已避開(kāi)了激振源頻率，且無(wú)倍頻關(guān)系存在，所以從振動(dòng)角度來(lái)看，轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生共振，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是安全的[5]。

4.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)力學(xué)性能的計(jì)算

圖5a、5b為轉(zhuǎn)子在未受沖擊載荷時(shí)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?？梢钥闯龃藭r(shí)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(yuǎn)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(shí)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(shí)的等效應(yīng)力。可以看出此時(shí)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(yuǎn)小于氣隙的10%，即0.7 mm)，計(jì)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(yuǎn)小于許用應(yīng)力259 MPa)，軸也是穩(wěn)定的。

圖3 機(jī)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(shí)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(yùn)行時(shí)力學(xué)性能的計(jì)算

將軸承處的等效應(yīng)力施加在基座上，并對(duì)其施加15 g沖擊載荷得到機(jī)座在受15 g沖擊載荷時(shí)的等效應(yīng)力和總的變形如圖7a、7b所示?？梢钥闯鲎畲蟮刃?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(qiáng)度遠(yuǎn)超一般合金鋼，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮修改相應(yīng)材料。分析原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)子本體很大(直徑1 830 mm，導(dǎo)致產(chǎn)生很大慣性)，同時(shí)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(duì)軸承產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊附加值，又由于轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)于圖7b)，可知在沖擊的整個(gè)過(guò)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(jì)滿足工況，設(shè)計(jì)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(diǎn)的位移及其對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力，可以看出節(jié)點(diǎn)最大位移發(fā)生在傳動(dòng)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(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力為248 MPa(大于Q345鋼的70%的屈服強(qiáng)度241.5 MPa，但是小于15MnMoV的70%屈服強(qiáng)度259 MPa)，建議設(shè)計(jì)時(shí)在此處采用15MnMoV的鉚釘，或者70%屈服強(qiáng)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(kāi)激振源頻率15%的要求，且無(wú)倍頻關(guān)系存在，所以從振動(dòng)角度來(lái)看，轉(zhuǎn)子不會(huì)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(xiǎn)點(diǎn)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(qiáng)度遠(yuǎn)超一般合金鋼，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮修改相應(yīng)材料。

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