基于ABAQUS 船用發(fā)電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)有限元分析

許 豐，渠滿菊，董日京，朱 明，周凱莉

（1.中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

發(fā)電機(jī)機(jī)座總成是發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，它主要由定子機(jī)座和勵(lì)磁裝置殼體兩部分組成。目前，船用發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)主要向輕量化、大容量的目標(biāo)發(fā)展，這就要求定子機(jī)座設(shè)計(jì)時(shí)，在保證強(qiáng)度、剛度和使用要求的情況下，其結(jié)構(gòu)要更加簡(jiǎn)單輕便。不僅可以方便運(yùn)輸和安裝，還可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。本文以某型號(hào)船用發(fā)電機(jī)定子機(jī)座為研究對(duì)象，運(yùn)用NX11 軟件建立定子機(jī)座三維模型，利用ABAQUS 有限元分析軟件建立仿真模型，對(duì)定子機(jī)座在定子鐵芯壓裝和發(fā)電機(jī)短路時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行仿真分析。采用RSM（Response Surface Methodology）優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)一系列發(fā)電機(jī)短路時(shí)機(jī)座應(yīng)力應(yīng)變仿真實(shí)驗(yàn)。建立優(yōu)化函數(shù)，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。對(duì)機(jī)座輕量化設(shè)計(jì)前后的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行對(duì)比研究，保證滿足使用要求的情況下，得到最優(yōu)的定子機(jī)座尺寸，也為其他型號(hào)發(fā)電機(jī)定子機(jī)座輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 定子機(jī)座有限元分析模型的建立

1.1 幾何模型建立與簡(jiǎn)化

定子機(jī)座為復(fù)雜的筒體結(jié)構(gòu)，主要由筒壁、支撐筋、支撐肋、支撐環(huán)、支撐管、支架、加強(qiáng)筋、腳底筋構(gòu)成，各結(jié)構(gòu)之間通過焊接進(jìn)行連接。在仿真建模中，默認(rèn)其為均勻的連續(xù)焊接，并對(duì)機(jī)座中的螺栓孔、走線架、圓孔、小臺(tái)階、倒角等對(duì)仿真影響較小的區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終將定子機(jī)座簡(jiǎn)化為一個(gè)整體。用同樣方法對(duì)定子鐵芯也進(jìn)行簡(jiǎn)化[1]，簡(jiǎn)化后的定子機(jī)座和定子鐵芯模型如圖1 所示。

圖1 模型示意

1.2 材料屬性定義

定子機(jī)座中各結(jié)構(gòu)材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，定子鐵芯材料選用50ww600 硅鋼片。材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.3 網(wǎng)格劃分

從發(fā)電機(jī)實(shí)際工況出發(fā)，為提高仿真效率，定子機(jī)座和定子鐵芯網(wǎng)格類型均設(shè)置為C3D10 四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為全局40 mm。為提高仿真準(zhǔn)確性，將定子鐵芯與機(jī)座接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，設(shè)置為20 mm，定子機(jī)座單元數(shù)量共77966 個(gè)，定子鐵芯單元數(shù)量共46738 個(gè)[2]。定子機(jī)座和定子鐵芯網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

1.4 邊界條件和載荷施加

本文主要研究在定子鐵芯壓裝和發(fā)電機(jī)短路兩種工況下定子機(jī)座的應(yīng)力應(yīng)變情況[3]，因此在前處理過程中邊界條件設(shè)置和載荷施加分為兩種工況。

（1）定子鐵芯壓裝

先將定子鐵芯移動(dòng)到初始位置，即定子鐵芯與機(jī)座不相互接觸。在壓裝過程中，定子鐵芯的外圓與機(jī)座的支撐筋、支撐環(huán)、支撐肋之間為過盈配合，而在非驅(qū)動(dòng)端支撐環(huán)中有60 mm 長(zhǎng)的區(qū)域在壓裝過程中起到對(duì)定子鐵芯的導(dǎo)向作用，因此該區(qū)域與定子鐵芯外圓之間為間隙配合。

設(shè)置定子鐵芯外圓與機(jī)座內(nèi)部之間為表面-表面接觸，摩擦方式為滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)為0.1[4]，在過盈配合觸面上施加0.125 mm 過盈量，間隙配合區(qū)域不設(shè)置接觸關(guān)系。

設(shè)置定子鐵芯的壓裝行程前，先在定子鐵芯中心建立參考點(diǎn)RP-1，因?yàn)槎ㄗ予F芯在壓裝過程中，油壓機(jī)壓在定子鐵芯頂部，所以將參考點(diǎn)與定子鐵芯頂部面進(jìn)行耦合，模擬其壓裝過程。根據(jù)實(shí)際工況，定子鐵芯的行程設(shè)置為1013 mm，由于定子鐵芯是從非驅(qū)動(dòng)端向驅(qū)動(dòng)端壓裝，因此將驅(qū)動(dòng)端底部進(jìn)行固定。

（2）發(fā)電機(jī)短路

先將定子鐵芯移動(dòng)到壓裝完成后的位置，設(shè)置定子鐵芯外圓與定子機(jī)座內(nèi)部相接觸區(qū)域?yàn)?.125 mm的過盈配合，而非驅(qū)動(dòng)端支撐環(huán)60 mm 長(zhǎng)的區(qū)域設(shè)置為間隙配合。

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)，定子鐵芯內(nèi)表面承受轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因此先在定子鐵芯中心建立參考點(diǎn)RP-1，將參考點(diǎn)與定子鐵芯內(nèi)表面進(jìn)行耦合，模擬其承受轉(zhuǎn)矩。該型號(hào)發(fā)電機(jī)功率為2513 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（1）得出該型號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為32000 N·m。

按照GB/T 12975-2021《船用同步發(fā)電機(jī)通用技術(shù)條件》要求，發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，三相突然短路時(shí)，短路電流峰值應(yīng)不大于受額定電流10～15 倍，因此在仿真過程中，設(shè)定發(fā)電機(jī)發(fā)生意外短路時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的15 倍即480000 N·m，將瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩施加在參考點(diǎn)上，轉(zhuǎn)矩方向?yàn)槔@Z軸旋轉(zhuǎn)。約束參考點(diǎn)上5 個(gè)自由度，只保留繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度。因?yàn)槎ㄗ訖C(jī)座通過地腳螺栓固定在安裝臺(tái)上，所以對(duì)腳底筋上的螺栓孔施加固定約束[5]。

2 仿真結(jié)果分析

定子鐵芯壓裝完成后，定子機(jī)座的最大單元應(yīng)力為82 MPa，最大變形量為0.193 mm。定子鐵芯壓裝完成后，定子機(jī)座的最大應(yīng)力為106 MPa，最大變形量為0.206 mm。通過仿真分析結(jié)果可以看出，定子機(jī)座的最大變形量比較小，最大單元應(yīng)力均小于Q235B的最大屈服應(yīng)力235 MPa。因此在兩種工況下，定子機(jī)座強(qiáng)度可以滿足使用要求，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形或斷裂，其結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)化空間。

3 定子機(jī)座輕量化設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用基于響應(yīng)曲面法（RSM）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)曲面法（RSM）是一種數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)程序，用于確定輸入?yún)?shù)和輸出數(shù)據(jù)（響應(yīng)參數(shù)）之間的關(guān)系。選擇了對(duì)機(jī)座結(jié)構(gòu)影響較大的三個(gè)參數(shù)（筒壁厚、支撐肋厚度、支撐肋個(gè)數(shù)）作為輸入變量，所選參數(shù)及其取值范圍見表2，將應(yīng)力（S）和應(yīng)變（U）作為輸出。響應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合見表3。

表2 參數(shù)范圍設(shè)置

表3 響應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合

3.2 結(jié)果分析

各響應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合的測(cè)量結(jié)果見表3。運(yùn)用方差分析法（ANOVA）對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變二階響應(yīng)模型的充分性進(jìn)行驗(yàn)證，并通過反向刪除法對(duì)模型中的無效參數(shù)進(jìn)行去除。響應(yīng)模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義用p值表示，當(dāng)p>0.05 時(shí)，表示輸入變量對(duì)結(jié)果的影響較小，需要移除。在二階響應(yīng)模型中，R2和> 85%分別表示誤差和調(diào)整后的誤差與總誤差的比值，當(dāng)R2和時(shí)，說明模型具有充分性。

運(yùn)用反向刪除法修正后的機(jī)座應(yīng)力應(yīng)變ANOVA分析結(jié)果中。機(jī)座變形分析的R2= 99.9%，=99.86%，機(jī)座應(yīng)力分析的R2= 94.85%，= 92.5%，應(yīng)力應(yīng)變分析的R2和值均大于85%，說明分析結(jié)果有意義。在兩種分析的輸入變量中，只有單因素C的P值均小于0.05，說明支撐肋個(gè)數(shù)對(duì)機(jī)座的應(yīng)力應(yīng)變影響作用顯著。

機(jī)座變形的RSM 預(yù)測(cè)模型如式（2）：

機(jī)座應(yīng)力的RSM 預(yù)測(cè)模型如式（3）：

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

期望函數(shù)法是一種多響應(yīng)優(yōu)化方法，要得到機(jī)座最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，就要使應(yīng)力、應(yīng)變同時(shí)最小，其響應(yīng)的期望函數(shù)目標(biāo)：

結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍：

通過DX11 軟件計(jì)算得到取值范圍內(nèi)所有響應(yīng)的最佳預(yù)測(cè)值以及其結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，結(jié)果見表4。

表4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3.4 對(duì)比分析

對(duì)輕量化優(yōu)化后的定子機(jī)座進(jìn)行仿真，模擬其在兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，結(jié)果見表5。

表5 輕量化前后各因素變化情況

從表5 可以看出，定子機(jī)座經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)后重量減輕9.7%；定子鐵芯壓裝完成后，定子機(jī)座的最大單元應(yīng)力上升了22%，最大變形上升了2%；當(dāng)發(fā)電機(jī)短路時(shí)，定子機(jī)座的最大單元應(yīng)力上升了11.3%，最大變形上升了23.8%。

4 結(jié)論

運(yùn)用ABAQUS 有限元仿真軟件，分析定子機(jī)座在定子鐵芯壓裝和發(fā)電機(jī)短路兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法（RSM）對(duì)定子機(jī)座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，得出以下的結(jié)論：

經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的定子機(jī)座，在定子鐵芯壓裝完成后和發(fā)電機(jī)出現(xiàn)短路時(shí)，最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)上升。但仍然明顯低于Q235B 的最大屈服應(yīng)力235 MPa，且總體變形量較小，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響較弱。所以輕量化設(shè)計(jì)后的定子機(jī)座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足使用要求。ANOVA 分析結(jié)果表明，支撐肋個(gè)數(shù)對(duì)機(jī)座應(yīng)力、應(yīng)變和重量的影響遠(yuǎn)大于筒壁厚度和支撐肋厚度對(duì)其的影響。RSM 優(yōu)化函數(shù)結(jié)果表明，當(dāng)筒壁厚11 mm、支撐肋厚度27 mm、支撐肋個(gè)數(shù)6 個(gè)時(shí)，機(jī)座的應(yīng)力應(yīng)變同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)的定子機(jī)座，其重量下降了9.7%，降低了生產(chǎn)制造成本，縮短了制造周期，提高了企業(yè)利潤(rùn)。