CN113742954A - 过盈接触结构、电机定子的有限元建模校准方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过盈接触结构、电机定子的有限元建模校准方法和系统，过盈接触结构的有限元建模校准方法应用于过盈接触结构，过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，方法包括：将第一部件划分为等效接触部和与等效接触部连接的剩余部，等效接触部为接触第二部件的部分；获取划分后过盈接触结构的模态计算结果；获取过盈接触结构的样件的模态测试结果，以模态计算结果和模态测试结果，校准等效接触部的参数，并获得校准参数后的建模模型。本发明针对过盈接触结构的关键部位进行等效处理的方法，优化处理等效结构的参数，相比于直接对整体模型进行建模、校准的方法而言，本申请能够得到更加精准的模型结构，且方法简便、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及电机设计技术领域，更具体地说，涉及一种过盈接触结构的有限元建模校准方法和系统。此外，本发明还涉及一种包括上述方法的电机定子的有限元建模校准方法，以及一种包括上述系统的电机定子的有限元建模校准系统。
背景技术
电机作为提供动力的产品，在轨道交通、汽车等行业广泛使用。
在电机结构设计中，定子系统是电机的核心部件之一，其动力学设计至关重要，设计优劣将会影响电机的振动疲劳寿命和NVH等。模态计算是分析动力学特性的基础，因此，需要通过仿真的方法建立准确的电机定子系统模型来进行评估。但是电机绕组分布复杂，难以建模，定子铁芯采用冲片叠压而成，力学特性复杂。尤其是机壳与嵌线定子的过盈量涉及非线性问题，如何考虑其对电机动力学特性的影响至关重要。
因此，如何建立准确的系统建模方法，成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种过盈接触结构的有限元建模校准方法和系统，该方法中对过盈配合结构的建模和校准的结果更加准确。
本发明的另一目的是提供一种包括上述方法的电机定子的有限元建模校准方法以及包括上述系统的电机定子的有限元建模校准系统，由于采用上述过盈接触的处理方式，电机定子的处理结果更加准确。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种过盈接触结构的有限元建模校准方法，应用于过盈接触结构，所述过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，所述方法包括：
将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果；
获取所述过盈接触结构的样件的模态测试结果，以所述模态计算结果和所述模态测试结果，校准所述等效接触部的参数，并获得校准所述参数后的建模模型。
优选的，获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果包括：利用共节点方式处理所述等效接触部与所述第二部件的结合面、以及所述等效接触部与所述剩余部的结合面，获取处理后的模型的所述模态计算结果。
优选的，获取处理后的模型的所述模态计算结果包括：获取所述模态计算的若干组频率和振型；
校准所述等效接触部的参数，包括：
获取所述等效接触部的参数的初始值，利用迭代算法进行修正，并当所述模态计算结果与所述模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定所述参数的校准值。
优选的，所述频率偏差的预设范围为小于5％，所述振型相关度的预设范围为大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
优选的，所述参数包括弹性模量、泊松比和密度；获取所述等效接触部的参数的初始值包括：获取初始设定的弹性模量和初始的泊松比，并将所述密度设定为所述第一部件的密度。
一种电机定子的有限元建模校准方法，所述电机定子包括机壳和与所述机壳过盈配合的定子铁芯，所述定子铁芯上设有绕组，所述方法包括：
上述任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，所述机壳为所述第一部件，所述定子铁芯和所述绕组为所述第二部件。
优选的，所述过盈接触结构的有限元建模校准之前，还包括对所述电机定子的若干部件分别进行部件优化，所述部件优化包括：
对一个所述部件进行有限元建模和模态计算，提取所述部件的仿真频率和仿真振型；
对所述部件的样件进行模态测试，提取所述样件的测试频率和测试振型；
利用所述仿真频率和仿真振型、所述测试频率和测试振型，迭代优化所述部件的结构参数，并获得迭代优化后的所述结构参数对应的结构模型。
优选的，逐一对所述机壳、所述定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合进行所述部件优化，所述电机定子的部件至少包括机壳、定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合。
优选的，所述迭代优化的标准包括：
所述仿真频率与所述测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，所述仿真振型与所述测试振型的振型相关度大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为所述仿真振型；ψtest为所述测试振型。
优选的，所述机壳的模态测试中，测点布置位于所述机壳与所述定子铁芯的接触区域内；
和/或，所述机壳的模态测试中，测点布置在轴向或周向上均匀分布；
和/或，所述定子铁芯的模态测试中，位于轴向上的测点布置至少为3个点，或周向上的测点布置至少为10个点。
一种过盈接触结构的有限元建模校准系统，应用于过盈接触结构，所述过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，所述系统包括：
建模计算模块，用于将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果；
测试校准模块，用于获取所述过盈接触结构的模态测试结果，以所述模态计算结果和所述模态测试结果，校准所述等效接触部的参数，并获得校准所述参数后的建模模型，所述测试校准模块与所述建模计算模块连接。
优选的，所述建模计算模块包括：
划分单元，用于将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；
处理单元，用于利用共节点方式处理所述等效接触部与所述第二部件的结合面、以及所述等效接触部与所述剩余部的结合面，获取处理后的模型的所述模态计算结果，所述处理单元与所述划分单元信号连接。
优选的，所述测试校准模块包括：
优化单元，用于获取所述等效接触部的参数的初始值，并利用优化算法修正所述参数，当所述模态计算结果与所述模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定所述参数为校准值。
优选的，所述优化单元包括判断子单元，所述判断子单元中设定优化条件包括所述频率偏差的预设范围为小于5％，所述振型相关度的预设范围为大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
优选的，所述优化单元包括用于获取弹性模量、泊松比和密度的获取装置，所述获取装置中设定所述密度为所述第一部件的密度。
一种电机定子的有限元建模校准系统，所述电机定子包括机壳和与所述机壳过盈配合的定子铁芯，所述定子铁芯设有绕组，所述有限元建模试验系统包括：
上述任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，所述机壳为所述第一部件，所述定子铁芯和所述绕组为所述第二部件。
优选的，还包括：
仿真模块，用于对所述电机定子的一个部件进行有限元建模和模态计算，提取所述部件的仿真频率和仿真振型；
测试模块，用于对所述部件的样件进行模态测试，提取所述样件的测试频率和测试振型；
校准模块，用于根据所述仿真频率和仿真振型、所述测试频率和测试振型，迭代优化所述部件的结构参数，并获得迭代优化后的所述结构参数对应的结构模型。
优选的，若干个所述部件至少包括机壳、定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合。
优选的，所述校准模块优化得到所述结构参数的条件包括：
所述仿真频率与所述测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，所述仿真振型与所述测试振型的振型相关度大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为所述仿真振型；ψtest为所述测试振型。
优选的，所述机壳的模态测试的测点布置位于所述机壳与所述定子铁芯的接触区域内；
和/或，所述机壳的模态测试的测点布置在轴向或周向上均匀分布；
和/或，所述定子铁芯的模态测试的位于轴向上的测点布置至少为3个点，或周向上的测点布置至少为10个点。
本发明提供的方案中针对过盈接触结构的关键部位进行等效处理的方法，优化处理等效结构的参数，相比于直接对整体模型进行建模、校准的方法而言，本申请的方法对等效结构的参数进行优化校准，能够得到更加精准的模型结构，且方法简便、易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的过盈接触结构的有限元建模校准方法的一种流程图；
图2为本发明所提供的电机定子的有限元建模校准方法的一种流程图；
图3为本发明所涉及的电机定子的剖视图；
图4为本发明所涉及的机壳的测点布置的正剖图；
图5为本发明所涉及的机壳的测点布置的侧剖图；
图6为本发明所涉及的定子铁芯的测点布置的正剖图；
图7为本发明所涉及的定子铁芯的测点布置的侧剖图。
图1-7中：
1为机壳、2为绕组、3为定子铁芯、4为剩余部、5为等效接触部、6为测点；其中，图4的箭头方向为轴向，图6的箭头方向为轴向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种过盈接触结构的有限元建模校准方法和系统，该方法中对过盈配合结构的建模和校准的结果更加准确。
本发明的另一核心是提供一种包括上述方法的电机定子的有限元建模校准方法以及包括上述系统的电机定子的有限元建模校准系统，由于采用f上述过盈接触的处理方式，电机定子的处理结果更加准确。
本申请提供了一种过盈接触结构的有限元建模校准方法，应用于过盈接触结构，过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，具体方法包括以下步骤：
步骤S1、将第一部件划分为等效接触部和与等效接触部连接的剩余部，等效接触部为接触第二部件的部分；获取划分后过盈接触结构的模态计算结果。
步骤S2、获取过盈接触结构的样件的模态测试结果，以模态计算结果和模态测试结果，校准等效接触部的参数，并获得校准参数后的建模模型。
上述方法中，过盈接触结构中以第一和第二部件的过盈配合进行说明，二者为嵌套设置，且具有紧密接触的部分，对于第一部件和第二部件的结构不做限定，过盈接触结构包括但不限于第一部件和第二部件的过盈配合，可以为多个结构的过盈配合。
步骤S1中，将第一部件进行结构上的划分，第一部件上接触第二部件的一部分结构为等效接触部，第一部件的其余部分为剩余部。后续将会以等效接触部分别与剩余部、第二部件接触的接触面进行网格划分等操作，因此，等效接触部为具有一定长度、一定厚度的结构，长度和厚度可以根据具体情况而定，优选为较薄的片状结构。
对第一部件的划分即为对过盈接触结构的建模过程，划分后，将等效接触部视为分别与剩余部、第二部件接触的结构，并对三者组成的结构进行模态计算，得到相对应的模态计算结果。
步骤S2中，对过盈接触结构的样件进行模态测试，并得到相应的模态测试结果，模态测试是进行实际测量，相对应产生的结果为实际测量的结果。
然后，以模态计算结果和模态测试结果进行优化校准，校准的对象为等效接触部的参数，参数主要包括材料参数，例如弹性模量、泊松比、密度等。优化过程中需要设定收敛条件，通过优化校准得到的优化结果为收敛条件下的最优结果，即得到了等效接触部的优化的参数。可以通过优化后的参数得到过盈接触结构的优化校准模型，相比于第一部件进行划分前的模型而言，优化校准后的模型为更加准确的模型。
需要说明的是，上述对于参数的优化过程中，密度可选为第一部件的密度，相应的对其他参数进行校准，使参数不断靠近收敛条件所对应的参数。
现有技术中，对待过盈接触结构的处理通常采用直接画网格处理，并不对过盈接触的结合面进行单独分析，所以通常导致结合面的刚度较大，得到的结构模态频率和振型值均偏大，进而导致对于动力学计算和噪声振动计算的结果值具有较大的偏差。
由于本申请实施例中提供了针对过盈接触结构的关键部位进行等效处理的方法，不断优化处理等效结构的参数，相比于直接对整体模型进行建模、校准的方法而言，本申请的方法对等效结构的参数进行优化校准，能够得到更加精准的模型结构，且方法简便、易于实现。
在上述实施例的基础之上，步骤S1中获取划分后过盈接触结构的模态计算结果，具体包括以下步骤：
步骤S11、利用共节点方式处理等效接触部与第二部件的结合面、以及等效接触部与剩余部的结合面，获取处理后的模型的所述模态计算结果。
等效接触部和第二部件的结合面即为原第一部件与第二部件的结合面，等效接触部与剩余部的结合面即为第一部件的切分面。
将两个结合面进行共节点处理，即为通过共节点方式处理网格的划分。现有技术中建模过程中网格划分的种类较多，本实施例中采用共节点方式处理，能够得到较为精确的建模结果。而将两个结合面分别进行共节点处理，也是为了等效接触部进行单独处理。
在上述实施例的基础之上，步骤S11中获取处理后的模型的模态计算结果，具体包括以下步骤：
步骤S111、获取所述模态计算的若干组频率和振型。
步骤S2中，校准等效接触部的参数，具体包括以下步骤：
步骤S21、获取等效接触部的参数的初始值，利用迭代算法进行修正，并当模态计算结果与模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定参数的校准值。
本实施例中包括两部分内容，第一是有关模态计算的输出结果，模态计算得到的是若干组频率和振型。
上述步骤S11处理结合面的过程为建模中的常见过程，具体包括对已建立的模型进行网格划分和边界处理，即对结合面的处理，还需要设定材料属性的初始值，并进行模态计算。步骤S111中通过模态计算得到一系列频率和振型，在振动和噪声的分析中通常关注2阶、3阶、4阶和0阶频率和振型，因此，可以提取相应的频率和振型。可选的，并不局限于上述提取内容，也可以根据实际情况进行选择。
上述步骤S2对等效接触部的参数进行校准的操作可以具体为迭代优化，首先设定等效接触部的参数的初始值，利用迭代算法，在设定的收敛条件下进行迭代，得到收敛条件下的优化结果，即为对应参数的校准值。
例如可以将弹性模量和泊松比作为待校准参数，设定相应的收敛条件，例如设定目标的频率或者振型，在逐渐靠近目标的频率和振型的条件下，弹性模量和泊松比逐渐靠近优化值，最终在满足条件下得到校准值。本实施例中采用模态计算和模态测试的频率偏差和振型相关度作为收敛条件，此为一种较为可靠的收敛条件，当然，本申请并不局限于上述收敛方式。
在上述实施例的基础之上，频率偏差的预设范围为小于5％，振型相关度的预设范围为大于90％，振型相关度为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
针对上述以频率偏差和振型相关度作为收敛目标的方式，本申请给出了较为可靠的实施例，其中，将频率偏差范围设定为小于5％，即在模态计算的频率和模态测试的频率的偏差小于5％的情况下，且在模态计算的振型和模态测试的振型的相关度大于90％时，认为等效接触部的参数为优化后的结果，此时的参数对应得到的模型为优化后的模型。
在上述任意一个实施例的基础之上，参数包括弹性模量、泊松比和密度；其中，步骤S21中获取等效接触部的参数的初始值，具体包括以下步骤：
步骤S211、获取初始设定的弹性模量和初始的泊松比，并将所述密度设定为所述第一部件的密度。
由于第一部件实际仍为整体结构，等效接触部的密度仍需要取第一部件的密度，除密度外，建模过程常需要考虑的泊松比和弹性模量，通常作为优化的目标，若选择迭代优化算法，则需要给出优化的目标的初始值，初始值的选取可以根据现有技术中的常用方式给出。
可选的，步骤S211中的获取操作可以仅为获取的操作，或者为通过经验选取二得到。即初始设定的弹性模量和初始泊松比可以通过人为方式给出，上述方法的步骤中仅进行获取即可，或者上述步骤是在已有的备选库中以经验方式选取。
本申请中将过盈接触的两个部分的有限元建模和校准过程中，将其中一者的结构进行模拟划分，将接触另一者的部分虚拟为独立结构的等效接触部，并得到两个独立的结合面，等效接触部的材料参数通过模态计算和模态测试的结果进行优化得到，从而得到等效接触部以及整体的优化模型，将等效接触部分割处理的方式，能够使得该部分的材料参数结果更加准确，整个过程得到的结果更加准确，且过程简便。
除了上述各个实施例中所提供的过盈接触结构的有限元建模校准方法，本发明还提供一种过盈接触结构的有限元建模校准系统，该系统主要用于实现上述方法。
具体地，本申请提供了一种过盈接触结构的有限元建模校准系统，应用于过盈接触结构，过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，上述过盈接触结构的有限元建模校准系统包括：建模计算模块和测试校准模块。
建模计算模块，用于将第一部件划分为等效接触部和与等效接触部连接的剩余部，等效接触部为接触第二部件的部分；获取划分后过盈接触结构的模态计算结果；
测试校准模块，用于获取过盈接触结构的模态测试结果，以模态计算结果和所述模态测试结果，校准等效接触部的参数，并获得校准参数后的建模模型，测试校准模块与建模计算模块连接。
需要说明的是，建模计算模块和测试校准模块为虚拟结构，主要用于完成上述方法中的步骤S1和步骤S2，因此，二者可以为计算机系统中对应完成上述方法的运算处理模块，或者为可以运行或存储有上述方法的独立的集成芯片。
建模计算模块对应完成模态计算的步骤，测试校准模块对应完成样件的模态测试和与模态计算结果的校准的步骤，二者均为虚拟模块，对应的实体结构均为现有技术中常见的建模和分析的硬件结构。
本申请提供的针对过盈接触结构的关键部位进行等效处理、并建模、校准的系统，通过不断优化处理等效结构的参数，能够得到等效结构的参数的优化校准的校准值，并进而得到更加精准的模型结构，且方法简便、易于实现，另外，从硬件结构上而言，并无需增加其他结构，可以选取现有结构集合完成。
在上述实施例的基础之上，建模计算模块包括：划分单元和处理单元。
其中，划分单元，用于将所述第一部件划分为等效接触部和与等效接触部连接的剩余部，等效接触部为接触第二部件的部分；
处理单元，用于利用共节点方式处理等效接触部与第二部件的结合面、以及等效接触部与剩余部的结合面，获取处理后的模型的模态计算结果，处理单元与划分单元信号连接。
建模计算模块的具体功能由两个部分完成，划分单元主要用于将第一部件进行划分，划分的方式可以参考上述方法的实施例。划分单元连接处理单元，处理单元获取划分单元的划分结果，并对等效接触部的两个结合面进行共节点处理，即为网格划分操作，将划分完成的整体结构进行模态计算，得到相应的模态计算的频率和振型等。
具体地，处理单元和划分单元可以为虚拟结构，或者为具体的实体结构，即可以为计算机系统中对应完成上述方法的运算处理单元，或者为可以运行或存储有上述方法的独立的集成芯片，
需要说明的是，上述处理单元可以包括网格划分子单元和模态计算子单元，或者包括其他功能单元和子单元。另外，上述模块中的其他结构均可以参考现有技术。
在上述实施例的基础之上，测试校准模块包括优化单元。
优化单元可用于获取等效接触部的参数的初始值，并利用优化算法修正参数，当模态计算结果与模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定参数为校准值。
优化单元可以为虚拟单元或者为具有上述功能的集成单元件。有关优化算法、参数获取和频率偏差、振型相关度的操作和步骤可以参考上述方法的实施例。
在上述实施例的基础之上，优化单元至少包括判断子单元。判断子单元中设定优化条件包括频率偏差的预设范围为小于5％，振型相关度的预设范围为大于90％，振型相关度为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
一个具体的实施例中，优化单元至少包括获取子单元、优化子单元和判断子单元。
获取子单元用于获取等效接触部的参数的初始值，并发给优化子单元进行优化，在优化过程中优化子单元将优化的结果发送给判断子单元，判断子单元对优化的结果进行上述优化条件的判断，在符合优化条件后得到优化结果。
可选的，优化单元包括用于获取弹性模量、泊松比和密度的获取装置，获取装置中设定密度为第一部件的密度。也就是说，上述获取子单元包括用于获取弹性模量、泊松比和密度的获取装置。
以上关于过盈接触结构的有限元建模校准系统的实施例中，由于该系统可以为实体系统或者为虚拟系统，所以主要从结构和连接方式上进行介绍，具体的步骤和方法可以参考上述方法的实施例。
本申请提供的过盈接触结构的有限元建模校准系统通过对过盈接触的结构划分出等效接触部，并得到两个独立的结合面，等效接触部的材料参数通过模态计算和模态测试的结果进行优化得到，从而得到等效接触部以及整体的优化模型，该系统使得该部分的材料参数结果更加准确，整个过程得到的结果更加准确，且过程简便。
除了上述各个实施例中对于过盈接触结构的有限元建模校准方法和系统，本发明还提供一种电机定子的有限元建模校准方法和系统。
其中，一种电机定子的有限元建模试验方法，电机定子包括机壳和与机壳过盈配合的定子铁芯，定子铁芯上设有绕组，方法包括：
步骤S100、上述任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，其中，机壳为第一部件，定子铁芯和绕组的整体为第二部件。
需要说明的是，本申请提供的电机定子指的是电机中的电机定子系统，以下简称为电机定子。电机定子包括机壳1、绕组2、定子铁芯3。其中，绕组2和定子铁芯3构成嵌线定子。为了承担电机的电磁反力矩，机壳1和定子铁芯3之间通常采用过盈配合，构成接触结合面。
具体地，将机壳1划分为两个部分，一个为与定子铁芯3接触的部分，另一个为机壳1的剩余的部分，
本申请的电机定子的有限元建模校准方法中，将过盈配合的机壳1和定子铁芯3作为过盈接触结构进行处理，从机壳1上提取出等效接触部，从而能够针对过盈配合的结构的各部分特点进行有针对性的分析处理。将比于现有技术中将机壳1整体进行分析的方式而言，能够将机壳1上的不同作用结构进行分类处理，得到的优化结果更加符合优化的目标，避免了在优化过程中出现频率和振型值偏大的情况，并有效避免了不易收敛的情况。在经过仿真模型的模态计算和样件的模态分析后能够有针对性的得到等效接触部的材料参数，进一步得到的机壳1和定子铁芯3、绕组2的整体的建模则可以更加准确，更加符合目标优化条件。
本申请中提出了将机壳1和定子铁芯3进行划分处理的方案，当然，电机定子整体也可以划分为多个部件进行单独的建模、分析、优化和校准。
现有技术中通常是针对电机定子整体进行有限元建模、模态测试和模型校准的操作，各部分的材料参数均不相同，在建模和优化过程中，需要进行静力学分析和非线性的计算和处理，较为复杂，并且不容易形成优化结果。
本申请提供的一个具体的实施例中，可以对各部分分别进行有限元建模、模态测试和模型校准操作。以包括机壳1、绕组2、定子铁芯3的电机定子为例，可以对这三部分分别进行有限元建模、模态测试和模型校准操作，从而得到各部分的有针对性的优化模型。
在一个具体的实施例中，上述方法依次包括以下步骤：
机壳1的有限元建模及校准；
定子铁芯3的有限元建模及校准；
嵌线定子的有限元建模及校准；
过盈接触结构的有限元建模及校准。
其中，嵌线定子为定子铁芯3和绕组2的整体结构，过盈接触结构为机壳1与定子铁芯3形成的过盈配合结构。有限元建模及校准指的是通过对该结构进行有限元建模、模态计算和对已有样件进行模态测试，通过对二者的结果进行比对，选取在符合比对结果下的结构的材料参数，从而依据材料参数得到优化后的模型。
具体地，步骤S100中过盈接触结构的有限元建模校准之前，还包括对电机定子的若干部件分别进行部件优化，部件优化包括：
步骤S201、对一个部件进行有限元建模和模态计算，提取部件的仿真频率和仿真振型。
步骤S202、对部件的样件进行模态测试，提取样件的测试频率和测试振型。
步骤S203、利用仿真频率和仿真振型、测试频率和测试振型，迭代优化部件的结构参数，并获得迭代优化后的结构参数对应的结构模型。
步骤S201-S203，对部件进行部件优化的操作中，始终为电机定子中的同一个部件，当然，可以针对每一个部件分别进行上述部件优化，分别得到各部件的优化结果。
对一个部件进行有限元建模是进行仿真模型的建立，得到的是仿真模型，以及仿真模型的频率和振型。样件指的是已有的实际模型，对样件进行模态测试得到的是样件的测试频率和测试振型。优化的目标是将仿真和测试的偏差降低，具体为频率偏差和振兴偏差。
需要说明的是，上述电机定子的部件至少包括机壳1、定子铁芯3、以及定子铁芯3与绕组2的组合，上述部件优化可以逐一对机壳1、定子铁芯3、以及定子铁芯3与绕组2的组合进行步骤S201-S203的部件优化，并分别得到各部件的优化结果。
现有技术中，通常针对电机定子的整体进行建模分析和优化，针对性不强，且计算过程较为复杂，容易出现无法收敛的问题。而本申请中针对每一个部件分别进行独立的有限元建模和分析等，能够分别得到各部分的优化结果，从而用于后续步骤中对于整体的优化过程，能够有针对性的对部件进行优化，并最终得到整体的优化结果。
需要补充的是，优选方案中，各部分的分析选用以下顺序：机壳、电机定子、嵌线定子、过盈接触结构。该顺序能够确保零件结构首先进行分析，整体结构后续进行分析。
在上述实施例的基础之上，迭代优化的标准包括：
仿真频率与测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，仿真振型与所述测试振型的振型相关度大于90％，所述振型相关度为：
其中，ψsimulation为仿真振型；ψtest为测试振型。
也就是说，在满足上述标准时，结构的参数为优化后的参数，在迭代过程中，上述标准为可以结束迭代优化的考核指标。可选的，上述给出的优化的标准为一个具体的实施方式中的标准，本领域技术人员可以根据实际情况进行调整。
在上述任意一个实施例的基础之上，机壳的模态测试中，测点6布置位于机壳1与定子铁芯3的接触区域内；
和/或，机壳1的模态测试中，测点6布置在轴向或周向上均匀分布；
和/或，定子铁芯3的模态测试中，位于轴向上的测点6布置至少为3个点，或周向上的测点6布置至少为10个点。
在一个优选的实施例中，上述提供的建模校准方法具体针对对象包括对机壳1、定子铁芯3、嵌线定子和过盈接触结构。下面依次介绍各部分的操作步骤。
首先，针对机壳1的有限元建模及校准中，使用有限元软件对机壳1的三维模型进行网格划分和边界处理。材料属性为弹性模量Ehousing、泊松比vhousing、密度ρhousing。其中ρhousing的取值保证机壳的质量与实际测试质量相同。
弹性模量Ehousing、泊松比vhousing的初始值为该机壳1的通用属性数值。进行模态计算中，可以提取所关心的频率和振型，通常在振动和噪声计算中提取2阶、3阶、4阶和0阶频率和振型。
机壳1的模态测试是针对实际的机壳1的样件，具体可以采用移动力锤法或者移动传感器法进行模态测试，并得到所需要的频率和振型。
针对测点6布置原则需要遵循一下内容：测点6主要布置在机壳1与定子铁芯3接触区域的范围内；如果机壳内含有水道，机壳1与定子铁芯3接触范围内的测点6位置尽量避开水道区域；测点6布置按照均布或者接近均布来布置；机壳1的轴向测点6布置不少于5个，其中机壳1与定子铁芯3接触范围内的测点6不少于3个；机壳1的圆周方向的一个剖面内布置不少于10个测点6。
机壳1模型的校准中，针对模态测试结果和模态计算结果，不断迭代修正机壳1的弹性模量Ehousing和泊松比vhousing，使得仿真模型与样件模型的频率偏差＜5％，MAC值＞90％，最终获得与实测结果相符的机壳1模型。
可选的，上述测点6布置和参数的选取等方面，均可以在现有技术的基础上进行适当的调整和改变，本实施例中提供的仅为一个较为可靠的方案，其他由此延伸的方案也属于本申请的保护范围。
然后，针对定子铁芯的有限元建模及校准中，对定子铁芯3进行建模，可以将定子铁芯3等效为实体，其材料属性包括：
E1_stator、E2_stator、E3_stator为弹性模量，μ12_stator、μ23_stator、μ31_stator为泊松比，G12_stator、G23_stator、G31_stator为剪切模量。
其中，1、2、3分别代表x、y、z方向。x、y为端面方向，对应的，12为xy端面方向，z为轴向方向。
密度取值需要使定子铁芯3的质量与实际测试质量相同。弹性模量、泊松比以及剪切模量可以按照结构钢的线弹性材料为初始值设定给定子铁芯3。进行模态计算时获取需要的频率和振型，通常选择2阶、3阶、4阶和0阶的频率和振型。可选的，上述初始值的赋予可以根据实际情况进行调整。
定子铁芯3的样件的模态测试中，可以采用移动力锤法或者移动传感器法进行模态测试，并获取需要的频率和振型。相对应的测点6布置原则包括：定子铁芯3的测点6按照均布或者接近均布来布置，定子铁芯3轴向测点6布置不少于3个测点6，圆周方向单列布置不少于10个测点6。可选的，上述测点6布置之间并不具有相关性，可以根据具体情况进行调整。
定子铁芯模型校准过程中，通过优化算法迭代修正定子铁芯3的弹性模量Ehousing和泊松比vhousing，使得仿真模型与实测结果的频率偏差＜5％，MAC值＞90％，并最终获得与实测结果相符的定子铁芯3的有限模型。可选的，校准标准可以根据实际进行调整，并不局限于本申请提供的情况。
嵌线定子主要由定子铁芯3和绕组2组成，嵌线定子的有限元建模及校准过程中，定子铁芯3已经完成建模和校准，因此主要在于绕组2的等效。具体可以将槽内绕组部分等效为三维实体，其与定子铁芯3通过共节点方式处理，槽外绕组部分具体等效为质量点。槽内绕组的材料属性为弹性模量、泊松比和密度(Ewinding、μwinding、ρwinding)。其中ρwinding的取值保证嵌线定子的质量与实际测试质量相同。可选的，弹性模量、泊松比以及剪切模量按照铜的材料属性赋予给绕组2。进行模态计算时获取2阶、3阶、4阶和0阶的频率和振型。
嵌线定子模态测试中可以采用移动力锤法或者移动传感器法进行模态测试，同样提取需要的频率和振型。由于其为与定子铁芯3的连接结构，因此其布点方法同定子铁芯3。
模型校准过程中，可以通过迭代修正绕组2的弹性模量Ehousing和泊松比vhousing，使得仿真模型与测试模型的频率偏差＜5％，MAC值＞90％，最终获得与实测结果相符的嵌线定子有限模型。
最后，针对过盈接触结构的有限元建模和校准方法，与上述部分相同的部分不再赘述。
从机壳1上接近定子铁芯3的位置上，划分一部分构成等效接触部5，剩下的部分为剩余部4。其中剩余部4与等效接触部5的结合面处理方式为共节点方式，等效接触部5与定子铁芯3的结合面处理方式为共节点方式。
过盈接触结构的模态测试基于实际装配好的定子系统样件，可以采用移动力锤法或者移动传感器法进行模态测试，频率和振型、布点的选取可以参考机壳1的选取。
过盈接触结构的校准中，等效接触部5的材料参数可以包括弹性模量Econtact、泊松比vcontact、密度ρcontact。其中，密度ρcontact的取值同机壳1的密度ρcontact相同，用于确保机壳1的质量不变。依据模态测试结果，不断迭代修正等效接触部5的弹性模量和泊松比，使得仿真模型与实测结果的频率偏差＜5％，且MAC值＞90％。
在上述提供的电机定子的有限元建模试验方法中，将电机定子的整体划分为若干个部件进行分别的建模和试验，在过程中通过确定小结构，进行确定大结构，且针对机壳1部件实现了划分结构的处理，从而使得结合面处的材料参数能够得到精确的优化。
除了上述各个实施例提供的方法，本申请还提供了一种电机定子的有限元建模试验系统，电机定子包括机壳和与所述机壳过盈配合的定子铁芯，定子铁芯设有绕组，上述电机定子的有限元建模试验系统包括：
上述任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，机壳1为第一部件，定子铁芯3与绕组2为第二部件。
电机定子的有限元建模试验系统主要用于实现上述电机定子的有限元建模试验方法。该系统通过对机壳1与定子铁芯3、绕组2形成的整体结构进行划分，提出了将机壳1和定子铁芯3进行划分处理的方案，能够有针对性的得到等效接触部的材料参数，进一步得到的机壳1和定子铁芯3、绕组2的整体的建模则可以更加准确，更加符合目标优化条件。
在上述实施例的基础之上，还包括：
仿真模块，用于对所述电机定子的一个部件进行有限元建模和模态计算，提取所述部件的仿真频率和仿真振型；
测试模块，用于对所述部件的样件进行模态测试，提取所述样件的测试频率和测试振型；
校准模块，用于根据所述仿真频率和仿真振型、所述测试频率和测试振型，迭代优化所述部件的结构参数，并获得迭代优化后的所述结构参数对应的结构模型。
仿真模块、测试模块和校准模块分别对应完成方法中步骤S201、步骤S202和步骤S203，其中仿真模块、测试模块和校准模块可以为虚拟模块，或者实体结构，即为能够运行或存储有上述方法的集成电路。
可选的，若干个部件至少包括机壳、定子铁芯、以及定子铁芯与绕组的组合。
在上述实施例的基础之上，校准模块包括用于优化得到结构参数的判断子模块，所述判断子模块用于在以下条件时确定优化后的结构参数：
仿真频率与测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，仿真振型与测试振型的振型相关度大于90％，振型相关度为：
其中，ψsimulation为仿真振型；ψtest为测试振型。
具体地，机壳的模态测试的测点6布置位于机壳与定子铁芯的接触区域内；
和/或，机壳的模态测试的测点6布置在轴向或周向上均匀分布；
和/或，定子铁芯的模态测试的位于轴向上的测点6布置至少为3个点，或周向上的测点6布置至少为10个点。
除了上述各个实施例中对于方法和系统的描述，针对有限元建模分析和优化的操作可以参考现有技术，同时，对于系统中的虚拟结构的说明也可以参考现有技术，对于集成电路的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的过盈接触结构、电机定子的有限元建模校准方法和系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (20)
1.一种过盈接触结构的有限元建模校准方法，应用于过盈接触结构，所述过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，其特征在于，所述方法包括：
将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果；
获取所述过盈接触结构的样件的模态测试结果，以所述模态计算结果和所述模态测试结果，校准所述等效接触部的参数，并获得校准所述参数后的建模模型。
2.根据权利要求1所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，其特征在于，获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果包括：利用共节点方式处理所述等效接触部与所述第二部件的结合面、以及所述等效接触部与所述剩余部的结合面，获取处理后的模型的所述模态计算结果。
3.根据权利要求2所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，其特征在于，获取处理后的模型的所述模态计算结果包括：获取所述模态计算的若干组频率和振型；
校准所述等效接触部的参数，包括：
获取所述等效接触部的参数的初始值，利用迭代算法进行修正，并当所述模态计算结果与所述模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定所述参数的校准值。
4.根据权利要求3所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，其特征在于，所述频率偏差的预设范围为小于5％，所述振型相关度的预设范围为大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
5.根据权利要求3或4所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，其特征在于，所述参数包括弹性模量、泊松比和密度；获取所述等效接触部的参数的初始值包括：获取初始设定的弹性模量和初始的泊松比，并将所述密度设定为所述第一部件的密度。
6.一种电机定子的有限元建模校准方法，其特征在于，所述电机定子包括机壳和与所述机壳过盈配合的定子铁芯，所述定子铁芯上设有绕组，所述方法包括：
权利要求1至5任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准方法，所述机壳为所述第一部件，所述定子铁芯和所述绕组为所述第二部件。
7.根据权利要求6所述的电机定子的有限元建模校准方法，其特征在于，所述过盈接触结构的有限元建模校准之前，还包括对所述电机定子的若干部件分别进行部件优化，所述部件优化包括：
对一个所述部件进行有限元建模和模态计算，提取所述部件的仿真频率和仿真振型；
对所述部件的样件进行模态测试，提取所述样件的测试频率和测试振型；
利用所述仿真频率和仿真振型、所述测试频率和测试振型，迭代优化所述部件的结构参数，并获得迭代优化后的所述结构参数对应的结构模型。
8.根据权利要求7所述的电机定子的有限元建模校准方法，其特征在于，逐一对所述机壳、所述定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合进行所述部件优化，所述电机定子的部件至少包括机壳、定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合。
9.根据权利要求7所述的电机定子的有限元建模校准方法，其特征在于，所述迭代优化的标准包括：
所述仿真频率与所述测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，所述仿真振型与所述测试振型的振型相关度大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为所述仿真振型；ψtest为所述测试振型。
10.根据权利要求6至9任一项所述的电机定子的有限元建模校准方法，其特征在于，所述机壳的模态测试中，测点布置位于所述机壳与所述定子铁芯的接触区域内；
和/或，所述机壳的模态测试中，测点布置在轴向或周向上均匀分布；
和/或，所述定子铁芯的模态测试中，位于轴向上的测点布置至少为3个点，或周向上的测点布置至少为10个点。
11.一种过盈接触结构的有限元建模校准系统，应用于过盈接触结构，所述过盈接触结构包括过盈配合连接的第一部件和第二部件，其特征在于，所述系统包括：
建模计算模块，用于将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；获取划分后所述过盈接触结构的模态计算结果；
测试校准模块，用于获取所述过盈接触结构的模态测试结果，以所述模态计算结果和所述模态测试结果，校准所述等效接触部的参数，并获得校准所述参数后的建模模型，所述测试校准模块与所述建模计算模块连接。
12.根据权利要求11所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，其特征在于，所述建模计算模块包括：
划分单元，用于将所述第一部件划分为等效接触部和与所述等效接触部连接的剩余部，所述等效接触部为接触所述第二部件的部分；
处理单元，用于利用共节点方式处理所述等效接触部与所述第二部件的结合面、以及所述等效接触部与所述剩余部的结合面，获取处理后的模型的所述模态计算结果，所述处理单元与所述划分单元信号连接。
13.根据权利要求12所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，其特征在于，所述测试校准模块包括：
优化单元，用于获取所述等效接触部的参数的初始值，并利用优化算法修正所述参数，当所述模态计算结果与所述模态测试结果的频率偏差、振型相关度均在预设范围内时，确定所述参数为校准值。
14.根据权利要求13所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，其特征在于，所述优化单元包括判断子单元，所述判断子单元中设定优化条件包括所述频率偏差的预设范围为小于5％，所述振型相关度的预设范围为大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为模态计算结果的振型；ψtest为模态测试结果的振型。
15.根据权利要求13或14所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，其特征在于，所述优化单元包括用于获取弹性模量、泊松比和密度的获取装置，所述获取装置中设定所述密度为所述第一部件的密度。
16.一种电机定子的有限元建模校准系统，其特征在于，所述电机定子包括机壳和与所述机壳过盈配合的定子铁芯，所述定子铁芯设有绕组，所述有限元建模试验系统包括：
权利要求11至15任一项所述的过盈接触结构的有限元建模校准系统，所述机壳为所述第一部件，所述定子铁芯和所述绕组为所述第二部件。
17.根据权利要求16所述的电机定子的有限元建模校准系统，其特征在于，还包括：
仿真模块，用于对所述电机定子的一个部件进行有限元建模和模态计算，提取所述部件的仿真频率和仿真振型；
测试模块，用于对所述部件的样件进行模态测试，提取所述样件的测试频率和测试振型；
校准模块，用于根据所述仿真频率和仿真振型、所述测试频率和测试振型，迭代优化所述部件的结构参数，并获得迭代优化后的所述结构参数对应的结构模型。
18.根据权利要求17所述的电机定子的有限元建模校准系统，其特征在于，若干个所述部件至少包括机壳、定子铁芯、以及所述定子铁芯与绕组的组合。
19.根据权利要求17所述的电机定子的有限元建模校准系统，其特征在于，所述校准模块优化得到所述结构参数的条件包括：
所述仿真频率与所述测试频率的频率偏差预设范围为小于5％，所述仿真振型与所述测试振型的振型相关度大于90％，所述振型相关度MAC(ψsimulation,ψtest)为：
其中，ψsimulation为所述仿真振型；ψtest为所述测试振型。
20.根据权利要求16至19任一项所述的电机定子的有限元建模校准系统，其特征在于，所述机壳的模态测试的测点布置位于所述机壳与所述定子铁芯的接触区域内；
和/或，所述机壳的模态测试的测点布置在轴向或周向上均匀分布；和/或，所述定子铁芯的模态测试的位于轴向上的测点布置至少为3个点，或周向上的测点布置至少为10个点。
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