飞轮有限元,坎贝尔图 23页

实用标准报告项目背景：某公司计划设计一个飞轮，它的工作转速是0-12000rpm。飞轮由不锈钢制成，其中杨氏模量为140GPa，泊松比为0.28，密度为4400kg/m3，屈服应力为850MPa。飞轮在滚动轴承支座上，底部的垂直位移约束使飞轮绕中心轴旋转。问题：1、飞轮在惯性载荷作用下的最大应力水平。2、是否在工作转速下发生或接近共振。建模：有限元分析首先需要建立模型。在此,首先将“fiywheeliges2016.igs“导入ansys，然后建立有限元模型。具体步骤如下：a.导入IGES文件。用file>import>IGES文档大全 实用标准导入后的文件如下图：a.用Preprocessor>Modeling>Delete>LineandBelow删除模型外多余的线。文档大全 实用标准a.UsePreprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine>todividelinesandcreateadditionalkeypointsneededforcreatingtheflywheelradialcross-section.b.模型被分开，用Preprocessor>Modeling>Delete>LineandBelow删除图形中多余的线。文档大全 实用标准a.用Preprocessor>Modeling>create>Areas>Arbitrary>ByLine创建模型。文档大全 实用标准分析：1、用二维模型进行静力分析。a.定义单元属性用Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete定义单元类型，选择PLANE182单元。文档大全 实用标准并在选项里选择axisymmetric。定义材料属性Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels。材料为前面要求的不锈钢，注意：此处注意单位换算！因为模型的单位是MM，需要将问题中的材料属性单位均换算成毫米制。a.划分网格文档大全 实用标准用Preprocessor>Meshing>Meshtool设定网格尺寸，完成二维模型的网格划分。此处不考虑网格收敛性问题，属于初次划分分析。划分之后的模型如下图：文档大全 实用标准a.施加载荷按照设计要求，用Solution>Apply>Structural>DefineLoads>Displacement对飞轮两端轴承处施加固定约束。将最大转速12000rpm定义为载荷施加在模型上。在施加转速约束时，对于只建立了一个截面的模型，首先要用Solution>Apply>Structural>DefineLoads>Displacement>SymmetryB.C.选择转轴作为位移的对称约束。文档大全 实用标准用Solution>Apply>Structural>DefineLoads>Inertia>AngularVeloc>Global施加绕Y轴的转速a.求解用Solution>AnalysisType>NewAnalysis定义静力分析的基本类型。文档大全 实用标准并求解。应力结果如下图：即模型的最大应力为295.014MPa，在材料的许用应力范围之内。即在最大转速下，结构不会被破坏。1、用三维模型进行模态分析a.在导入二维模型的基础上，用文档大全 实用标准Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Area>AboutAxis选择截面，OK，然后选择轴，点ok。通过选择截面绕Y轴旋转得到三维飞轮模型。生成模型如下图：a.定义单元类型和材料属性文档大全 实用标准与静力分析一样选择单元类型为SOLID186，此处不需要选择axisymmetric。然后定义材料属性，同静力分析。a.划分网格对三维实体进行网格划分。同样是没有考虑网格收敛性的初划分，得到划分好网格之后的模型如下图：b.施加约束和载荷按照设计要求，对飞轮与轴承接触的面施加固定约束，并将最大转速12000rpm定义为载荷施加在模型上。除了约束是施加在面上以外，其余方法与静力分析类似。c.求解用Solution>AnalysisType>NewAnalysis选择模态分析。并用Solution>AnalysisType>Analysis文档大全 实用标准Options设置分析6阶模态。各阶模态图如下：文档大全 实用标准文档大全 实用标准文档大全 实用标准1、转速分析由于陀螺效应，旋转结构的特征频率与其旋转速度相关。计算不痛旋转速度时的频率，可以得到各个模态频率随转动速度的变化曲线。在分析时，选择0.955rpm和11997.736rpm转速计算特征频率，随载荷步的增加，转速增加，生成坎贝尔图需要在各个不同转速下的载荷步频率结果。运行后这两个转速下的频率结果如下图：文档大全 实用标准输出坎贝尔图如下：可以看出频率与转速的结果如下：文档大全 实用标准1、网格收敛性分析网格的划分对结果会产生影响，这个影响的大小需要经过网格收敛性分析来看。a.二维静力分析的网格收敛性在分析2中模型的节点和单元参数如下，定义为case1：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........357511221122Elements..........549549549在此情况下的最大应力为：295.014MPa接下来，更改网格划分时节点和单元数量如下，定义为case2：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........2879977977Elements..........426426426重新进行应力分析，最大应力值为：298.301MPa文档大全 实用标准Case1与Case2收敛性水平为：Case2-Case1Case1×100%=298.301-295.014295.014×100%=1.11%再进行一组比对，定义为case3：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........392014671467Elements..........861861861最大应力值为：308.218MPa文档大全 实用标准Case3与Case2收敛性水平为：Case3-Case2Case2×100%=308.218-298.301298.301×100%=3.32%两个均小与5%，那么可以认为网格大小对应力分析的结果没有造成影响，结果可靠。a.三维模态分析的网格收敛性在分析3中模型的节点和单元参数如下，定义为case4：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........453584535845358Elements..........281222812228122文档大全 实用标准在此情况下的基频和振幅分别为：27.8411Hz和8.60145mm。接下来，更改网格划分时节点和单元数量如下，定义为case5：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........608116081160811Elements..........387113871138711重新进行模态分析，基频和振幅分别为：27.8162Hz和8.60156mm。Case4与Case5收敛性水平为：文档大全 实用标准基频：Case5-Case4Case4×100%=27.8162-27.841127.8411×100%=0.1%振幅：Case5-Case4Case4×100%=8.60156-8.601458.60145×100%=0.001%再进行一组比对，定义为case6：LargestNumberNumberNumberDefinedSelectedNodes...........302483024830248Elements..........181321813218132基频和振幅分别为：27.8998Hz和8.60155mm。Case5与Case6收敛性水平为：基频：Case6-Case5Case5×100%=27.8998-27.816227.8162×100%=0.3%文档大全 实用标准振幅：Case6-Case5Case5×100%=8.60155-8.601568.60156×100%≈0两个均小与5%，那么可以认为网格大小对结果没有造成影响，结果可靠。建议：a.从应力分析结果可以看出，飞轮的最大应力位于从内向外的第一个薄壁处。因此，在不影响其他部件运动和安装的前提下，适当的增加此处的厚度可以提高飞轮的强度。文档大全