電機機座的模態(tài)試驗與仿真

曹　揚，李名殷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上?！?00240)

電機機座的模態(tài)試驗與仿真

曹揚，李名殷

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

摘要：介紹了對560-2P電機機座結(jié)構(gòu)進行的模態(tài)試驗和有限元仿真計算，并根據(jù)試驗結(jié)果修正了有限元仿真參數(shù)，得到該機座試驗和仿真相一致的前5階固有頻率和振型，為電機進一步的振動分析提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機座；模態(tài)試驗；仿真

0引言

對電機主要零部件進行模態(tài)分析和參數(shù)識別是進行電機振動和機械噪聲控制的主要手段，可以了解現(xiàn)有電機零部件的動力特性，為結(jié)構(gòu)修改和新產(chǎn)品的開發(fā)提供開發(fā)手段和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

560-2P電機機座為二側(cè)面彎板薄壁結(jié)構(gòu)，機座上方全部開啟?？傃b時通過其上方放置定子。機座焊接采用特殊工藝，焊后不再進行消除應(yīng)力處理[1]。焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件的固有頻率有一定影響[2-3]，難以精確計算，通過試驗方法修正計算模型是目前普遍采用的方法。

以一臺560-2P 50 Hz電機機座為對象，進行了結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗和模態(tài)計算，初探有限元模型修正方法，為電機進一步的振動分析提供依據(jù)。

1模態(tài)試驗原理與方法

1.1　模態(tài)試驗原理[4-6]

模態(tài)試驗的基本原理是將工程中的連續(xù)彈性體振動系統(tǒng)離散成具有n個自由度的線彈性振動系統(tǒng)，用力錘或激振器對系統(tǒng)激振，并同時記錄激勵和n個自由度方向的響應(yīng)信號，送入信號分析系統(tǒng)中進行傅里葉變換，獲得各測點(自由度)的頻響函數(shù)，對頻響函數(shù)進行曲線擬和后得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

系統(tǒng)的運動微分方程為：

(1)

對式(1)進行Fourier變換得到

Z(ω)X(ω)=F(ω)

(2)

式中，Z(ω)=K-ω2M+jωC稱為機械阻抗矩陣，其逆矩陣H(ω)=[K-ω2M+jωC]-1稱為位移傳遞函數(shù)矩陣，即

(3)

對于比例粘性阻尼系統(tǒng)，引入坐標變換對方程(1)進行解耦可得傳遞函數(shù)矩陣

(4)

式中，φ(r)為系統(tǒng)的第r階模態(tài)矢量(振型)；Mr、Cr、Kr分別為模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度。式(4)的第i行、第j列元素為

(5)

上式表明，頻響函數(shù)中的任一行或任一列，包含了系統(tǒng)全部的模態(tài)參數(shù)信息，這意味著可以通過單點激勵多點響應(yīng)(SIMO)或者多點激勵單點響應(yīng)(MISO)試驗，從所得的一列或一行頻響函數(shù)中辨識得到系統(tǒng)的全部模態(tài)參數(shù)。

1.2　試驗方法

模態(tài)試驗系統(tǒng)布置圖如圖1所示。文章采用力錘單點錘擊激振多點拾振法(即SIMO方法)測試電機機座的模態(tài)。試驗采用的儀器設(shè)備見表1。

圖1　模態(tài)測試系統(tǒng)圖表1　試驗儀器和設(shè)備

序號名 稱數(shù)量生產(chǎn)廠家1DH5927N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)32通道江蘇東華測試2PCB三向加速度傳感器10個美國PCB3250kN力錘1套北京波普4DH5857電荷適調(diào)器1個江蘇東華測試5筆記本電腦1臺聯(lián)想

機座兩端采用木方支撐，如圖2所示，木方又置于橡膠墊之上。由于木材和橡膠的剛度遠小于機座本身，可近似認為是自由邊界。根據(jù)機座薄壁結(jié)構(gòu)特征，只要激勵點不在各階模態(tài)振型的節(jié)點上，并且激勵的能量足夠大，理論上可以激發(fā)出系統(tǒng)的所有模態(tài)[7]。因此，采用力錘單點激勵，移動傳感器的方法能夠滿足試驗要求。

圖2　機座的支撐方式

為了確定模態(tài)試驗中的測點布置和采樣頻率參數(shù)，在試驗之前采用FEA軟件對機座進行初步模態(tài)計算，初步了解結(jié)構(gòu)的固有頻率分布范圍、模態(tài)密集程度，以及各階模態(tài)振型等。根據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性預(yù)估，測點布置示意圖見圖3，選擇4點作為激振點。機座底板的振動為局部振動，不需關(guān)注，因此只在機座的外側(cè)板和兩端板布置測點。測點總數(shù)為106。每個測點用三向加速度傳感器采集響應(yīng)數(shù)據(jù)，因此總共采集318個響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖3　測點布置圖

2數(shù)據(jù)采集和參數(shù)識別

試驗采用10個三向傳感器進行共11批次數(shù)據(jù)采集，共獲得318組頻響函數(shù)曲線，導(dǎo)入DHMA模態(tài)分析軟件。采用POLYLSCF方法進行參數(shù)識別，通過穩(wěn)態(tài)圖和振型計算提取了被測機座的前5階整體模態(tài)頻率和阻尼比，并通過MAC值校驗法驗證了試驗結(jié)果的有效性。試驗結(jié)果如圖4和圖5(b)所示。

圖4　試驗?zāi)B(tài)參數(shù)

圖5　前5階模態(tài)振型

3機座模態(tài)的有限元計算及修正

3.1　模態(tài)計算

采用三維建模軟件Solid Edge建立了機座的裝配體模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中計算機座的固有頻率和振型。

機座由Q235-A鋼板焊接而成，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，采用3D單元solid185劃分網(wǎng)格。由于ANSYS中的模態(tài)分析不支持非線性行為[8]，因此采用線性綁定(Bonded)接觸，接觸剛度及Pinball等參數(shù)為系統(tǒng)默認。不計阻尼影響，計算結(jié)果見圖5(a)和表2。

表2　機座有限元模態(tài)計算結(jié)果

3.2　有限元計算參數(shù)修正

有限元的初步計算結(jié)果顯示，機座結(jié)構(gòu)的一階頻率與實驗結(jié)果相差較大，而二階至五階固有頻率與實驗值相比偏差均在10%以內(nèi)。

從各階振型看，機座的第一階振型與底腳的約束情況關(guān)系很大。在有限元計算中考慮自由模態(tài)，因此偏差較大。機座二階至五階振型對底腳約束的敏感程度不大，因此偏差較小。

在結(jié)構(gòu)動力學計算中，采用高階單元通常能獲得比采用低階單元更準確的結(jié)果，因此，在有限元計算模型參數(shù)修正過程中，采用了solid185的高階單元solid186進行網(wǎng)格劃分。同時，考慮到實際機座結(jié)構(gòu)的部分焊縫為間斷焊，并且焊后不經(jīng)熱處理，對模型焊接位置的接觸剛度做修正。結(jié)果見表3所示。

表3　有限元計算修正與實驗結(jié)果對比

表3的結(jié)果表明，采用合適的單元類型并對主要參數(shù)接觸剛度進行修正后獲得了較好的結(jié)果。除一階頻率外，其余幾階固有頻率與實驗相比偏差不超過5%。第一階固有頻率雖偏差16.84%，但從頻率數(shù)值上看，偏差并不算大。因此，認為有限元修正參數(shù)后的計算獲得了與實驗一致的結(jié)果。

4結(jié)語

采用錘擊法測量了某560-2P電機機座的固有頻率和振型，獲得了該機座的前五階模態(tài)參數(shù)，并根據(jù)試驗結(jié)果修正了有限元計算結(jié)果。

有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果一階固有頻率偏差為16.84%，其余偏差不超過5%，可以認為有限元計算結(jié)果較為真實地反映了機座結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)情況，表明有限元模態(tài)算法在該類產(chǎn)品設(shè)計中是有效的。

本文的結(jié)論可為下一步進行電機整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及振動特性分析提供依據(jù)。

參考文獻

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