高速电机转子冲片的强度设计（四）：离心力与过盈配合对模态的影响（中）.docxVIP

2.3圆柱约束模态分析

在上节中，第14阶和23阶模态结果，分别为总体1阶弯曲和2阶弯曲模态阵型。虽然1阶弯曲模态为U形趋势，但未考虑边界条件，频率结果将存在一定误差。为对比不同边界条件，对模态阵型和频率的影响。可在轴承位处，设置圆柱约束边界条件。本节主要技能点：对比圆柱约束模态和自由模态，1阶弹性弯曲阵型与频率结果的差异。选择转子轴侧面的表面，并在模态分析的“Supports”中，选择圆柱约束。在转子对面的轴承位，也设置一个圆柱约束。如图-18所示。

图-18?设置圆柱约束边界条件

计算完成后，模态频率分布直方图，如图-19所示。

图-19?圆柱约束模态频率分布

计算时间如图-20所示。其计算时间为548秒，约9分钟，其相对于自由模态部分，快了约1/4。

图-20?求解时间

由于设置了固定约束，其1阶模态即为弹性模态。阵型为冲片总体轴向运动，对应频率为931Hz。如图-21所示。

图-211阶阵型结果

图-22为1阶弯曲模态结果，对应频率为2894Hz。该频率明显小于自由模态中，1阶弯曲结果的11639Hz。可见边界条件设置，对计算结果影响的重要性。1阶弯曲结果在轴承位不变形节点，为“-”字形，转子中部为U形，与上文介绍的“-U-”阵型一致。如图-22所示。

图-221阶弯曲阵型结果

图-23为2阶弯曲阵型。其对应频率为4736Hz。

图-232阶弯曲阵型

2.4弹簧约束模态分析

圆柱约束为对转子轴的轴承位，进行刚性连接，其-U-的弯曲阵型显得不符合实际。该约束无转子轴向的旋转自由度，无法实现铰接效果，下面采用可实现铰接效果的弹簧约束，进行对比分析。本节技能点：介绍弹簧阻尼214单元的设置，及其对模态阵型结果的影响。图-24为轴承刚度设置。选择轴承位在分析树的接触项单击，向右上角在“Body-Ground”形式加载轴承支撑。并设置4个不同方向的轴承刚度为1E8N/mm，设置全局坐标系X-Y平面添加弹簧。则在模型上以灰色环形图示，表示该轴承效果。另：本节采用的214单元为平面单元，如需考虑6个方向的弹簧刚度，有两种思路：1、分别在接触中，添加6个方向的spring单元；2、一次性在接触中，添加bushing单元（如图-24中部）。轴承刚度值以实际为准，一般为轴承供应商提供。其数据的获取，一般采用压缩实验的方法，对轴承加载不同大小的轴压力，以提取加载力和变形关系数据，并汇总为近似3次方关系的非线性轴承刚度曲线。轴承位设置平面，应为全局直角坐标系，这也暗示了在建模阶段，应先将基准平面与转子的某个轴向平面一致。

图-24?轴承刚度设置

图-25为设置远端位移约束。如只设置轴承位的连接刚度，模型将产生刚体位移，需新增远端位移约束。其选择转子表面，添加约束并在左下角，设置Z旋转方向为自由，其他方向固定。

图-25?远端位移约束

求解计算中，查看冗长的求解输出信息，可发现如图-26的单元列表。其下方显示采用的轴承阻尼COMBI214单元。

图-26?采用的轴承阻尼单元

图-27为采用轴承单元的模态频率分布结果。

图-27?弹簧约束模态频率分布

求解完成后，1阶模态为刚体模态，阵型为转子轴向。其对应频率为0Hz。

图-281阶阵型结果

图-29为1阶弯曲模态结果，对应频率3363Hz，比圆柱约束的2894Hz增加约10%。

图-291阶弯曲阵型结果

图-30为3个节点的2阶弯曲阵型结果，其对应频率为4894Hz。

图-302阶弯曲阵型结果

2.5圆柱约束静力学分析

根据以上模态分析案例结果可以发现，在圆柱约束边界条件下的阵型规律为“-U-”形，不符合转子实际支撑状态的“U”形趋势。那么作为考虑预应力模态分析前的基础性计算静力学分析而言，依然采用圆柱约束和离心力荷载，会是什么样的静态变形规律呢？本节将进行简化的演示。本节主要技能点：设置圆柱约束，并进行考虑离心力的静力学分析计算对比。在一般的模态分析中，无法考虑结构受力后刚度的变化。采用预应力模态分析，可以将转子旋转过程的离心力效应，对冲片离心力而产生的结构软化现象，进行一定程度的表达。打开静力学分析模块，导入上文模型，并在轴承位同样设置圆柱约束。如图-31所示。计算荷载为转速，其设置方法同前文，本节不再赘述。由于转子轴刚度较大，转子离心力主要影响冲片隔磁桥部分的变形，故本节采用圆柱约束，对变形结果影响较小。

图-31?设置圆柱约束

计算完成后，在离心力和圆柱约束边界条件下，转子最大变形为0.0138mm。

图-32?总体变形结果

静力学分析的求解时间仅44秒，远小于前文数百秒的模态分析案例。如图-33所示。

图-33?求解时间

2.6弹簧约束静力学分析

在模态分析部分，采用不同边界条件设置的1阶弯曲阵型和2阶弯曲阵型结果对比发现，在轴承位采用弹簧约束，可产生“U”形变形