某转轴随机振动分析

文|江圣民

一、问题描述

在随机振动环境中可能导致设备的损坏，常见的有电机转轴的随机振动，如图12-2所示为简化的电机转轴模型。转轴在电机中承载转子并做旋转运动，与其它设备相连输出机械能，对其进行随机振动有利于提高电机的产品性能。

电机两端由轴承支撑固定，输出转矩，其材料性能参数如下：弹性模量Ε=2.1e5MPa，泊松比μ=0.288，密度ρ=7.86e3Kg/m³。

在随机振动分析中需要输入功率谱密度函数，本例中拟用表-1所示加速度PSD数值作为输入参数。

二、几何建模

通过外部导入分析几何模型，单击Modal模块中的Geometry右键Import导入本例中的几何模型，导入完成之后Geometry后面出现绿色“√”标志表示成功，导入后的结果如图2所示。

三、材料属性设置

材料属性的设置直接通过修改软件默认Structure Steel材质即可。进入Engineering Data编辑窗口，单击Structure Steel，在对应的窗口按照给定的材料属性值输入如图3所示性能参数即可。

四、网格划分

由于几何模型较为简单，直接采用六面体主体技术进行划分，网格单元大小为设置为2mm，然后单击右键选择Generate Mesh完成网格划分，划分结果如图4所示。

五、模态求解设置

进行随机振动分析需要进行两部，首先进行模态计算，然后基于计算结果进行随机振动响应分析，所以在网格划分完成之后进入模态求解设置，设置步骤如下：

1．单击Modal，依次选择工具栏中的SupportsàFixed Support，将转轴两端轴承支撑位置固定，如图5所示；

2．单击Analysis Setting，设置提取结构前10阶模态振型；

3．完成设置后单击Solve提交计算机求解计算。

4．计算完成后查看模态振型，如图12-7所示，前10阶模态固有频率值最大为37965Hz，能够足够的覆盖加速度PSD的频率范围。

六、PSD载荷谱施加

进入随机振动分析模块，选择Random Vibration，依次单击工具栏PSD Base ExcitationàPSD Acceleration，分别设置X、Y、Z三个方向的加速度PSD输入，在Tabular Data中依次输入给定的数值，如图7所示。

七、求解设置

设置求解计算方式如下：

1．单击Analysis Setting，在弹出的详细窗口中设置Number of Modes To Use为All，在Damping Controls中设置Constant Damping Ratio为0.02，如图8所示。

2．设置输出变量。在Solution中插入Equivalent Stress，在弹出的详细窗口中设置Scale Factor为3 Sigma，此时Probability自动变为99.73%，该设置含义为：计算结果中Mises应力的置信度大小为99.73%，是一个可靠程度的度量，如图9所示。

3．完成（1）（2）步骤设置之后单击Random Vibration，右键选择Solve提交计算机求解即可。

八、结果后处理

计算完成查看结果，可以得到结构在该随机振动作用下的应力响应云图，如图10所示。从图中可以看到最大Mises应力值约为1.8MPa，即该作用下转轴有99.73%的概率Mises应力值不超过1.8MPa，为设计提供参考和修改的理论依据。