CN116070488A - 一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法 - Google Patents

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王海洋
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李聚伟
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张瑞宇
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Abstract

本发明公开了一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，包括：S1、输入参数构建有限元模型，所述参数包括振动设备的工艺参数；S2、在动力设备上设置两个基本考核点，之后进行动态载荷模拟，以确定两个基本考核点扭转力大小；S3、分析静态力矩RT与动态力矩R(ΔF)，包括通过计算所述两个基本考核点扭转力的差值得到动态力矩的值；S4、通过方程(RT‑R(ΔF))/RT<Δδ判断得到的值是否符合预定要求，其中Δδ∈[0,0.1],若不符合，返回步骤S1重新设置参数计算静态力矩；若符合要求，则进行下一步S5；和S5、根据所述有限元模型，采用等效荷载进行整体有限元分析，得到设备基础的振动载荷。

Description

一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，特别是涉及一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法。
背景技术
目前，针对大型风洞实验室风扇集群基础动力设计分析，一般采用的方法主要包括单一动力源有限元模拟分析、数值模拟分析法。这些方法具有以下缺陷：
1)单一动力源有限元模拟分析在风扇基础动力的应用中存在较大的误差，片面的解释了轴流电机运行过程中产生的基础振动荷载，忽略了振动能量传递对于模型数据分析的干扰，使数据分析出现偏差。
2)采用的数值模拟分析法来进行风扇集群基础动力设计分析，其流程的分析不够全面，且各项数值的计算不够精确，无法满足复杂组合仪器系统化的运行。
因此，需要新的技术和方法，以至少部分地解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
本发明方法针对大型风洞实验室中的轴流风机在设计过程中工作时会产生的对支撑结构具有的振动荷载大小，采用对有限元模型的构建与分析，并将其与经验数据进行比对，使该模拟数据具有较高的真实性与精确性，并可有效的为振动控制设计过程提供振动荷载数据。
根据本发明的一方面，提供一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，包括：
S1、输入参数构建有限元模型，所述参数包括振动设备的工艺参数；
S2、在动力设备上设置两个基本考核点，之后进行动态载荷模拟，以确定两个基本考核点扭转力大小；
S3、分析静态力矩RT与动态力矩R(ΔF)，包括通过计算所述两个基本考核点扭转力的差值得到动态力矩的值；
S4、通过方程(RT-R(ΔF))/RT<Δδ判断得到的值是否符合预定要求，其中Δδ∈[0,0.1],若不符合，返回步骤S1重新设置参数计算静态力矩；若符合要求，则进行下一步S5；和
S5、根据所述有限元模型，采用等效荷载进行整体有限元分析，得到设备基础的振动载荷。
根据本发明的实施方案，其中所述振动设备为轴流风扇设备，所述参数包括长、宽、高、质量、功率以及转速。
根据本发明的实施方案，其中所述两个基本考核点为轴流风扇电机始动未知点A以及转动扇叶点B。
根据本发明的实施方案，其中所述基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法还包括步骤S6，进行基础动态优化设计。
根据本发明的实施方案，其中步骤S5包括将步骤S4得到的静态力矩RT代入动力学运动方程
Figure BDA0004069275420000021
进行计算，其中,M为质量,C为阻尼,K为刚度,U为位移。
根据本发明的实施方案，其中步骤S3中包括模态计算、静态力矩计算以及经验计算得到最终静态力矩RT的值。
根据本发明的实施方案，其中步骤S3中在对模态分析结果以及经验计算结果进行比对后，其误差小于设定值时，进行步骤S4，否则返回步骤S1重新设置参数计算静态力矩。
本发明主要针对大型风洞实验室中轴流风扇设备基础振动控制需求，设计一种用于确定未知轴流风扇运行振动荷载的确定方法，利用有限元模型分析功能，通过对比有限元与经验理论计算的模态值、静力扭矩值对比，可以获取该模型下的设备基础振动响应值；其中整机有限元模型构建与分析过程可以保证数据的准确性与真实性；精密的参数化设置以及多级判断的反馈机制可以进一步保证模型的精确性；将有限元模型分析得出的数据与经验数据的对比也可以保证设计结果满足风机基础振动的工程需求。
根据下文结合附图对本发明具体实施示例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
图1为根据发明实施方案的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法的流程示意图；以及
图2根据发明实施方案的轴流风扇设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图、具体实施例对本发明进行进一步的详细说明，但实施例或者说明并不用来限制本发明的保护范围。应该理解的是，本发明所涉及的有限元模型建模、分析、力矩模拟和优化设计等本身是已知的，因此本发明重点阐述各步骤的组合。
图1为根据发明实施方案的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法的流程示意图；图2根据发明实施方案的轴流风扇设备的结构示意图。
如图所示，实施方案的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法可以包括：
输入参数构建有限元模型。确定本项目六组轴流风机主要集成工艺需求信息，其中包括L、W、H、R、功率、转速等。本流程针对单组轴流风机转动引发振动的原理进行分解分析，构建有限元模型，确认输入参数。
进行动态载荷模拟。将有限元模型进行分解，设置电机始动未知点A和转动扇叶点B作为基本考核点，然后通过模拟，分别得到电机始动未知点A和转动扇叶点B的扭转力大小，也即
Figure BDA0004069275420000041
分析静态力矩与动态力矩。包括通过模态计算、静态力矩计算以及经验计算得到最终静态力矩的值。更具体地，通过模态计算获得模态值Rm，静态力矩计算获得静态力矩Rt，经验计算得到相应的R’m和R’t值，然后在对模态分析结果以及经验计算结果进行比对后，判断其误差是否小于设定值时，也即，如果
Figure BDA0004069275420000042
和
Figure BDA0004069275420000043
成立，则进行下一步，否则重新设置参数计算静态力矩，直到满足上述条件为止。
与此同时，计算A、B两点扭转力的差值ΔF(ΔF＝FB-FA)，并进一步得到动态力矩的值R(ΔF)。再通过(RT-R(ΔF))/RT<Δδ这一方程判断得到的值是否符合要求，其中Δδ∈[0,0.1],若不符合，将返回重新设置参数计算静态力矩；若符合要求，将进行下一步。
有限元分析。利用修正过的有限元模型进行时程等效计算模拟，在该模型下获取的设备基础振动响应值，则可以作为等效基础设计荷载评估值。更具体地，可以采用等效荷载进行整体有限元分析，建立柱坐标系，包括将上一步得到的静态力矩代入
Figure BDA0004069275420000051
这一公式进行计算，得到底部支撑座的振动载荷。
之后，启动基础动态优化设计。该方法将大型复杂设备的荷载点进行拆分，使计算流程在精确的同时进一步减小计算误差。
相比于现有技术，本发明能够实现有益的技术效果：
1)精密性。通过对轴流风扇结构精确的参数化设置及数学建模过程流程，进行合理化数据设定及分析，并通过多层反馈的逻辑循环及与经验计算值的对比，有利于保证等效荷载模拟数据的精确性，可以有效地实现等效荷载设定的预定目标。
2)多点数据模拟。通过针对轴流电机始动未知点以及传动扇叶连接点作为两个基本考核点，有利于全面分析轴流电机运行过程中产生的基础振动荷载，有利于减小误差以及忽略振动能量传递对于模型数据分析的干扰，可以有效的实现模拟振动荷载数据的精确性。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (7)

1.一种基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，包括：
S1、输入参数构建有限元模型，所述参数包括振动设备的工艺参数；
S2、在动力设备上设置两个基本考核点，之后进行动态载荷模拟，以确定两个基本考核点扭转力大小；
S3、分析静态力矩RT与动态力矩R(ΔF)，包括通过计算所述两个基本考核点扭转力的差值得到动态力矩的值；
S4、通过方程(RT-R(ΔF))/RT<Δδ判断得到的值是否符合预定要求，其中Δδ∈[0,0.1],若不符合，返回步骤S1重新设置参数计算静态力矩；若符合要求，则进行下一步S5；和
S5、根据所述有限元模型，采用等效荷载进行整体有限元分析，得到设备基础的振动载荷。
2.根据权利要求1所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，所述振动设备为轴流风扇设备，所述参数包括长、宽、高、质量、功率以及转速。
3.根据权利要求2所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，所述两个基本考核点为轴流风扇电机始动未知点A以及转动扇叶点B。
4.根据权利要求1所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，还包括步骤S6，进行基础动态优化设计。
5.根据权利要求1所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，步骤S5包括将步骤S4得到的静态力矩RT代入动力学运动方程
Figure FDA0004069275410000021
进行计算，其中,M为质量,C为阻尼,K为刚度,U为位移。
6.根据权利要求1所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，步骤S3中包括模态计算、静态力矩计算以及经验计算得到最终静态力矩RT的值。
7.根据权利要求6所述的基于有限元模型分析的等效荷载模拟设计方法，其特征在于，步骤S3中在对模态分析结果以及经验计算结果进行比对后，其误差小于设定值时，进行步骤S4，否则返回步骤S1重新设置参数计算静态力矩。
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