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6Kw柴油发电机组振动性能分析与有限元模型研究

文章出处:未知人气:发表时间:2015-09-15 13:25【
 
柴油机是柴油发电机组的主要激振源,其产生的振动会导致电机疲劳、电器故障、缩短零部件使用周期等问题。降低柴油机自身的位移幅值,尽可能隔离机组对周边环境的影响,是企业和科研工作者面临的主要问题。因此,对机组振动特性进行测试与评估,以及将不满足振动标准的部分借助现代分析方法进行合理的优化仿真,具有重要的现实意义。
本文以额定功率6Kw,工作转速2400r/min的柴油发电机组为研究对象,首先对柴油机组表面测点的振动幅值和支承器件隔振效果进行实际测试,并与国家或行业相关标准比对,从而找出了机组的振动性能缺陷,同时为后续的仿真提供实验依据。接着,基于有限元动力学理论在ANSYS软件中生成上述机组的有限元模型。在动力学基础模态分析中观察机组各模块自身的自然频率、振型及相互之间的关联,继而将柴油机内部激励简化后进行谐响应分析,得出了实验测点对应观察节点分别在X和Z方向的位移幅值谱。将仿真得到的测点X方向的位移幅值和减振垫Z方向的隔振效果排序和实验结果对比,表明了机组虚拟模型良好的可靠度。
最后,结合机组实际情况,确定了影响其振动性能的主要因素,包括减振垫橡胶材料的杨氏模量和阻尼系数、在柴油机底部的布置方式以及隔声罩的厚度。在参数合理变化的范围内,通过插值的方式对以上因素依次进行了目标寻优,确立了各参数变化对柴油机组结构振动性能的影响程度,并提出了改善这种特性的最佳的实际优化方案。优化仿真的结果表明:当减振垫橡胶杨氏模量、阻尼系数分别增加到实际允许范围的某一数值后,可最大限度地降低机组位移幅值;减振垫数量的增加,不仅可以降低了机组位移幅值,而且对提高机组隔振效果也有帮助;带隔声罩机组的隔振效果优于之前,但厚度增加不会影响机组振动特性。
本文对小型机组的有限元建模方法和振动性能优化改进的研究,可为相关柴油发电机组,如大型机组设计与研发,提供很好的参考。
 
1.1.2国内外对机组振动的研究现状
由于柴油发电机组的可移动性,使人类在空间技术、水上设备、汽车等行业对电力的需求得以解决,但机组振动问题对设备和环境的影响随之而来。最开始国外一些专家和学者尝试通过实验手段隔离掉不利的振动,对机组隔振技术的理论与技术深入研究,其中从检索文献的数量可以得出,柴油发电机组应用于舰船上的隔振技术的文献较多,技术也比较成熟。
隔振技术就是在机组和要隔离的对象(如船体)中间增加带有弹性和阻尼特性的支承环节,组成隔振系统,使振动传递到隔离对象之前尽可能的消耗掉。同时,这种传递过程同样可以反作用于振源(柴油机)本身,使它的振动幅值得到抑制。早期隔振系统中的隔振器件比较固定,对振动传递的抑制作用相对稳定,且从层数结构上有单双之分,20dB为单层结构振级传递损失平均幅值,也有对机组振动性能指标要求高的,如上世纪60年代左右,欧洲一些发达国家尝试将隔振系统运用到军事舰船上,且为上下双层[3],中间相隔一个质量部件,两两之间安装有弹性元件,振级传递损失一般可以达到40dB左右[4]。接下来的十几年后,一些民用船只上开始采用的浮筏改造的隔振技术为双层隔振系统,从振源传到受振船体的过程中,在20Hz~250Hz的低频范围内总传递损失达到30dB左右,在250Hz~l0kHz的高频范围内达到50dB左右[5]。
机组激励的复杂多变,往往使带有固定隔离效果的隔振器件不能很好的达到预期的隔振要求,而通过主动控制的隔振系统可以在同一环境下完成不同的隔振效果。日本神户大学在对深江丸III号船只柴油机组隔振系统进行振动测试时,通过计算机控制液压致动器产生振动中和到不需要的力,使传递到橡胶支撑脚后的力在指定的柴油机旋转频率附近降为0。基于实验测试和仿真,重新设计后的隔振系统的振级落差显著降低20dB[6]。
近几十年时间里,计算机技术的革新与计算效率的飞跃,使得对大型和复杂结构的计算成为可能,围绕振动机械的动力学建模、特性的研究纷纷涌现,有限元方法(FEM)在这个时候由于在工程辅助设计研究中的出色表现力,己经成为  
公认的解决现实一些复杂模型的高效率工具。目前,国际上类似柴油发电机组等大部分振动机械设备都通过有限元法进行振动性能分析和优化设计[7,8]。新加坡高性能计算研究所采用有限元法对船舶柴油机组进行研究,模拟柴油机活塞不同拍击时段垂直往复惯性力通过弹性安装系统传递到船体的振动,计算结果表明弹性支座的旋转刚度在柴油机振动传递到船体中起着重要的作用,特别是当激振频率增加的时候[9]。
1970年开始,国外的一些专家学者把柴油机的模态分析技术与有限元法结合起来[10]。随着两种理论相结合的不断发展成熟,国内高校不少学者争先尝试,上海交通大学以某一柴油机机型为对象,分别建立机组单层隔振系统和三层隔振系统的有限元模型,通过数值分析得出该柴油机组采用材料刚度较小隔振器进行支承更加合适的结论[11]。北京理工大学建立了柴油机主要零部件及机体的有限元模型,对其自由模态进行了计算分析[12]。河南农业大学建立了柴油机机体的有限元模型,按照实际情况对机体进行约束,得出此状态下的自然频率和振型,对柴油机动力学设计和结构优化改进有很好的促进作用[13]。除此之外,柴油机机体的振动模态分析的其他方面同样借助有限元法得以实现[14-18]。
但这些文献多数对柴油机本身振动特性进行了研究,缺乏对支承柴油机的隔振器件对整体机组振动特性的影响的研究。柴油机本身刚度较大,而隔振器件的刚度较小,因此后者对机组振动特性的影响更加受到关注。曹贻鹏[19]建立了机组全部模块的有限元模型,在验证模型有效的基础上,分别讨论了隔振器在机架上的各种布置方式、机组部件相互之间的刚度变化、以及将隔音罩加入后对隔振系统的自然频率、振型、振动传递的促进和阻碍作用,对于那些能提高隔振系统的中低频隔振特性的方式,可以在将来的实物模型中进行验证。李晓[20]发现柴油机与发电机支撑脚,以及底部的基础架较为明显的改变了对机组结构自然频率和振型特性,而改变模型输入的材料属性、刚度参数,效果不是很明显,最后综合各影响因素,分别给出了结构改进方案。叶艳琴[21]对两种型号的柴油发电机组进行不同的隔振设计,如增大机组减振器直径,使机组控制柜振动加速度等指标处于正常范围。

目前,国内在利用有限元方法和软件对柴油发电机组的振动性能等进行分析与优化等方面多数处于定性阶段,机组结构的复杂性和多样性决定了定性分析有着更好的适应性和高效率,在简化模型和求解精度上,对机组的模拟仿真仍存在一定的上升空间。

 
1.1.3有限元发展历程及应用
 从十八世纪末开始,变分法在数学家欧拉提出不久,就曾用与现代有限元相似的方法求解轴力杆的平衡问题,但不幸的是,由于计算量过大,又没有现在运算性能强大的计算设备,这个想法未能如愿实现。九十年代中期,Courant尝试用三边形网格的有限单元和势能理论对带有弹性力学性能的扭转问题计算,当时没有得到学术界的支持。后来在十九世纪中叶,一些波音飞机工程师第一次将飞行器机翼的结构分析用FEM解决,使FEM的发展更进一步,“有限元”概念开始得到让世人知晓和追捧。

有限元方法(FiniteElementsMethod)[22]是在离散思想的基础逐渐发展为独有的一套理论,可以想想,一个连续的东西,被切割成几个部位,每个部分靠中间的节点保持连接,每个节点接受的载荷是相同的,通过平衡条件对它们计算,再借助变形协调理论把这几个部分粘结起来,从零散变为整体后综合求解。上世纪中期它在研究连续体的力学特性领域,如应力,以及飞行器在静止状态下、飞行状态下的力学、流体特性中开始作为可行的数值分析方法,热力、电磁、流体力学接踵而至。

使用有限元法对对象进行求解,主要需要掌握三步:在前处理模块中对模型划分网格、选择求解用到的理论方法、以及在计算结束后如何提取和处理数据三部分,如图1-1所示。从图中可以看出,这条主线既可以成为开环,又可发展成闭环,取决于是否要将后处理得到的数据继续得到进一步的结论,比如在求解带有预应力的模态分析。同时,在进行前处理之前,有时需要将其他软件得到的结果导入到前处理模块,如Hypermesh的分网结果,或者在软件中直接从CAD软件,如Pro/E中导入实体模型后生成有限元模型甚至直接生成。后处理得到的结果可以直接导出,也可以将数据保存后转交给其他的软件进行叠加、数学转换等操作,比如ANSYS软件的后处理绘图功能不够强大,就可以在Origin绘图软件中将导出的数据重新绘制。

 
目前FEM软件的种类已达十几种,其中主流的有MSC.NASTRAN、Hypermesh、ANSYS、ADINA、ABAQUS等。这些软件各有长短,如ADINA、ABAQUS[23,24]是目前业内公认的在非线性分析方面有较强的能力,但ABAQUS只专注结构分析,目前没有流体模块;ADINA是唯一能做到真正流固耦合的软件,但进入中国时间比较晚,市场还没有完全铺开;Hypermesh[25]具有工业界主要的CAD数据格式接口和功能完善的前处理器模块,但综合性能不及其他软件;NASTRAN[26]分析结果较为接近实际,因此以它为参考准则,验证其它有限元软件结果的可靠度,但主要集中在航空航天领域,使用程度不够;ANSYS[27-30]商业化比较早,综合能力较强,国内知名度高,应用广泛,同时收购了很多软件在旗下,如LS-DYNA[31],ANSOFT[32]、FLUENT[33],现公司已成为全球最大的仿真软件公司,缺点是在非线性分析方面的能力不够。

有限元软件由最开始的概念到现在的强大适应性,其发展历程包括:1、与CAD建模软件由兼容性问题到完美包容;2、由简单网格到完善的分网处理技术;3、由计算较为简单的线性行为到计算复杂的非线性行为;4、由功能薄弱的结构分析到多物理耦合场问题的求解;5、可以实现人机交互,对使用者开放研发。

1.2研究目的和意义

能源是近年来社会公众和企业一直关注的问题,开发新型能源、绿色能源、科技能源得到了很多国内外,如亚太经合等,具有国际影响力的成员组织的大力支持。柴油发电机组作为科技能源的展现,广泛用作工程、军事、生活的应急电源和其他特殊用途,但由于机组本身的振动不符合相关标准,直接影响到开发周期的正常进展,振动问题需要引起关注和优化。

本文以6Kw柴油发电机组为实验对象,由于它的结构设计、整体布局、减振垫选型等不合理问题,导致机组局部振动幅值未达到国家对往复式内燃机驱动的交流发电机组的机械振动相关标准。同时,支承柴油机的减振垫隔振效果在某些方向同样未达到行业对单层隔振系统的要求。因此,在接下来的研究工作中,借助有限元方法和相应仿真软件ANSYS对小型机组的振动幅值和减振垫的隔振效果进行分析,同时提出改善机组这些振动特性的具有实际意义的优化方案,是需要研究和探讨的两个主要方向。

建立合理的小型机组的有限元建模,不仅可以直接对机组振动特性进行改进和完善,提前缩短机组的科研周期,而且还可为相关柴油发电机组,如大型机组  
优化设计与研发,提供有参考价值的数据与分析方法,继而推动整个行业的迅速发展,增加中国柴油发电机组市场在国际的占有率,扭转依赖国外发电设备的局面,由进口转出口,使国内柴油发电机组生产厂商的黄金时代提前到来。

1.3本文主要研究内容

本文主要以6Kw柴油发电机组为研究对象,开展振动性能的分析和优化工作。通过机组表面振动实验找出机组振动性能的缺陷和弱点,建立6Kw柴油发电机组有限元仿真模型,在验证模型合理的基础上,归纳总结小型机组建模准则,并对模型中的一些参数,如减振垫材料刚度、阻尼等进行目标寻优,将各部分的最佳优化方式作为改善机组振动特性的实际优化方案,具体研究内容见图1-2所示。  
为明确在振动特性方面的缺陷,这里具体指机组表面的振动幅值(加速度、速度、位移)和减振垫的隔振效果(振级落差),按照GB2820.9往复式内燃机驱动的交流发电机组的机械振动相关标准对整个振动实验流程进行设计,包括测试工况、测点分布等,以及对实验数据进行处理与分析,同时作为后续仿真的实验依据。
利用有限元仿真软件ANSYS建立6Kw柴油发电机组动力学模型,包括简化  
模型、设定材料等参数、划分网格、连接关系等效替换、简化激励载荷等。机组的固有特性,包括自然频率和模态振型在求解模态分析后得到;机组的振动传递特性,包括观察点的位移振动幅值和减振垫上下振级落差在求解谐响应分析后得到。将前面机组表面振动实验得到的结果数据与仿真得到的对应结果进行对比,验证模型的合理性和有效性。

模型验证正确的基础上,在参数合理变化的范围内,对机组减振垫材料刚度、阻尼、布置方式和隔声罩的厚度进行插值,观察其对机组振动特性的影响程度,沿着能够更好地避开共振和削弱柴油机激励引起的测点振动幅值,提高减振垫的隔振效果的方向进行目标寻优,直至找出改善振动特性最佳优化方式,作为具有实际意义的优化方案提出。

因此,针对本文的主要研究内容,写作流程将按照以下步骤进行:

第一章主要阐述小型柴油发电机组的研究背景,国内外的研究现状以及本文的研究目的、意义和主要研究内容。

第二章主要阐述简化成单自由度振动系统的机组隔振理论,以及机组有限元动力学中要用到的模态分析法和谐响应分析法的数学物理模型,同时讨论了影响机体结构有限元分析精度因素和改善措施。

第三章主要设计机组表面振动实验,包括测量工况、测点分布等,将实验结果从振动幅值和减振垫隔振效果分别进行分析,总结出测点振动特性的规律,为后续仿真工作提供实验依据。

第四章主要在有限元软件ANSYS中生成机组的有限元模型,利用模态分析和谐响应分别得出测点的振动幅值和减振垫的隔振效果,用振动实验结果证实模型的有效性和合理性。

第五章主要改变减振垫本身(刚度、阻尼、布置)和隔声罩厚度的形式,计算不同形式对隔振系统的固有特性和传递特性的影响。同时,进行目标寻优,直至找出改善振动特性最佳优化方式。

第六章对全文进行总结与展望。



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