转子在工作状态下的应力分析

　　水力测功器是用来测量原动机功率的设备,设备本身性能的好坏对测试结果影响很大,为了弄清这类设备出现的一些问题,对水力测功器进行了系列研究。首先,对水力测功器转子进行了模态分析,分析计算了转子的模态参数。结果表明,转子和主轴的自振频率与整个系统的共振无关,系统的振动可能是由其它部件引起的[1]。然后,又对水力测功器转子装配过程进行了仿真分析,根据转子的装配过盈量,分析了转子装配时需要的加热温度以及转子装配好以后在转子中所产生的应力,同时还考虑到转子内圆键槽的不同设计方案,又分多种工况进行了分析计算,解决了在不同过盈配合下转子安装时所需的加热温度值以及最佳过盈配合方式[2]。为了全面认识水力测功器转子在承载过程中出现的诸多问题,如转子运行一段时间后出现的破裂和松动,承载时的最佳过盈配合,键槽的开取等,对这一组件进行承载过程仿真分析是非常重要的。

　　1　仿真分析模型

　　1.1　建立几何模型

　　转子本身是一种空间复杂几何体,对于这种特殊的三维图形,为了获得良好的单元形状,以提高求解精度,应根据各零部件的特性,采用分开建模的方法。因此,将转子叶片和转子本体2个部分分离开来,分别建立转子叶片几何模型图和转子本体几何模型图,它们都是实体结构。

　　1.2　划分网格

　　选用的单元类型为Solid45-8节点实体单元和Shell63壳单元。1)叶片的网格划分:先划分一个面,Smart Size为7,形状为四边形,自由网格,分完后,用Sweep来对体划分,完成后删除原来的自由网格面,得到一个划分好网格的叶片。待转子实体网格划分好之后,在柱坐标下,旋转copy 15片即可得到已划分网格的转子叶片基本模型。2)转子本体的网格划分:将转子本体的剖面分为5块,对于由四边围成的面可用Mapped来划分网格,其余用自由网格,由此划分好转子本体的剖面网格,对划分好网格的面进行旋转操作可以获得划分好网格的转子本体。最后,通过旋转和拉拔可以建好转子和轴的仿真分析模型,如图1所示,由于结构对称,这里仅取了一半进行分析。

　　1.3　材料性质

　　在建模过程中共设置6种材料,铜为1#(即转子),轴(钢)为2#,键分为4块,分别设为3#、4#、5#、6#,3#、4#为一个键,5#、6#为另一个键,3#、5#号在外侧,4#、6#在内侧。设置6种材料的目的是通过变化材料性质而得到不同的分析计算模型[3],如无键槽模型可以这样得到,将3#、5#材料改变为铜,4#、6#材料改变为钢,即可得到无键槽模型。

　　1.4　约束方程

　　转子由黄铜合金铸造而成,转子叶片和转子本体是一起铸成的一个整体,根据几何建模的基本原则,转子叶片和转子本体应联在一起,且具有实体联结的性质与功能。例如,在转子叶片和转子本体的任一相联结的节点处,Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz应相同。为了满足这一基本要求,可采用约束方程来定义2部分模型之间节点自由度的相互关系,解决转子叶片和本体联结合并为整个转子的问题。