基于ANSYS管道检测系统转子静动态特性分析

张　晶，姜文庆

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

基于ANSYS管道检测系统转子静动态特性分析

张晶，姜文庆

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

摘要为研究旋转探头管道超声检测系统转子静态特性和动态特性，建立了简化的转子的有限元模型，并应用有限元分析软件ANSYS对转子进行静态分析、模态分析和谐响应分析，得到了转子结构应力、变形云图和前六阶固有频率。分析结果说明转子的静刚度和动刚度符合检测系统设计要求，验证了转子结构设计的合理性，为检测系统转子的设计提供的可靠的评价依据。

关键词检测系统转子；静刚度；动刚度

石油、天然气运输管道因管道腐蚀而发生的泄漏、爆炸事故时有发生。因此，必须对管道进行定期内检测以排除事故隐患。管道超声检测系统可实现管道危害性缺陷的在线内检测[1]。为提高检测效率和在线检测的可靠性，在管道检测系统中使用了高速旋转多探头检测技术[2]。由于检测精度的需要使得研究管道超声检测系统转子的静动态特性变得重要[3]。本文将运用有限元计算软件ANSYS对旋转探头管道超声检测系统的转子进行静动态分析，以确定系统转子在设计上是否具有结构上的稳定性以保证检测需要的精度。

1检测系统结构

旋转探头管道超声检测系统结构如图1所示，主要包括驱动电机、转子前盖、转子检测筒、转子后盖、机壳、透声罩、检测探头、工作圈数检测组件等部件。转子前盖、转子检测筒、转子后盖、检测探头共同组成了检测转子组件。在转子检测筒上开有两个周向超声检测探头安装孔位和两个轴向超声检测探头安装孔位，每个孔位装配有一个超声检测探头。因周向和轴向开孔的方位不同，整个检测转子呈现偏心机械结构，如图2所示。当检测转子运转以后，整个检测系统也将进入管道做轴向行进运动。因此，检测转子将带动超声检测探头同时做沿着管壁轴线的周向运动和轴线运动，从而实现管壁内侧周向和轴向的同时和实时检测。

图1　检测系统结构模型图

图2　检测转子结构模型图

2检测转子有限元模型建立

对机械结构进行有限元分析，首先要对模型进行简化。模型的简化主要包括模型特征的简化和力学问题的简化。针对检测转子结构，为了进一步简化仿真模型及仿真计算量，在分析之前作如下简化：(1)将转子前盖、转子检测筒、转子后盖和检测探头共同组成检测转子装配体作整体考虑，四者之间的相互配合关系采用ANSYS提供的线性接触方式进行模拟，不考虑结合面上的状态非线性；(2)将检测转子零部件上起连接作用的螺纹全部忽略；(3)删除对结构影响细微的尺寸较小的倒角、圆角。

然后将简化好的检测转子模型以中性文件格式导入到有限元分析软件ANSYS WorkBench中。调整关联性(Relevance)值为100，使网格的精度达到最高，同时对网格大小值进行调整。人工选择装配体零件之间的接触面和接触方式，接触方式为Bonded(绑定)，这种接触方式为线性接触方式，可用于线性的静态分析、模态分析、谐响应分析中[4]。

检测转子采用一对深沟球轴承支撑，考虑到实际工况中轴承内外圈之间轴向游隙，轴承的约束仅为径向约束，轴向无约束，可将轴承约束等效为弹簧阻尼单元来模拟。每一个轴承等效为轴承支撑处沿周向均布的4个弹簧阻尼单元[5]，4个弹簧阻尼单元和轴承具有同等轴承径向刚度，弹簧长度为轴承内外圈半径之差。

检测转子的零部件材料全部为Stainless Steel(不锈钢)，密度7 750 kg/m3,弹性模量193 GPa,泊松比0.31。

3静态分析

静态分析是指在结构受到静态载荷或是载荷周期远大于结构自振周期(缓慢加载)作用下进行的分析，静态分析是一种线性分析，惯性和阻尼可忽略。

结构动力学分析通用方程[6]为

(1)

式中，{u}为结构的总体位移列阵；[M]为结构的质量矩阵；[C]为结构的阻尼矩阵；[K]为结构的总体刚度矩阵；{F(t)}为结构的总体载荷矩阵，是时间的函数。

对于静态分析，{F(t)}为常量，结构阻尼和惯性均可忽略不计，则方程为

[K]{u}={F(t)}

(2)

检测转子在额定转速下的受到的载荷如下：

(1)重力加速度G，取G=9.8m/s2；

(2)电机输入额定转矩T=5 000N·mm。

在给转子前盖联轴段施加扭矩T之前，必须在转子轴承支撑处施加FrictionlessSupport(无摩擦约束)[7]。根据实际的工况条件，对联轴段表面施加CylindricalSupport(圆柱面约束)，对联轴段进行径向零位移约束。

在标准重力G和扭矩T的综合作用下，转子的最大变形为1.26×10-5mm，发生转子检测筒外表面上,此变形远小于检测精度要求0.01mm，挠度符合设计要求。最大应力为0.067 95MPa，未超过材料的屈服极限。因此转子的静刚度符合设计要求。

图3　转子应力云图

图4　转子变形云图

4转子动态分析特性分析

动力学分析是用来确定惯性和阻尼起重要作用时结构动力学行为的技术，主要包括模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机震动分析等，其中模态分析是计算结构震动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振形。而谐响应分析则是用于确定结构在已知频率和幅值的正弦载荷作用下的稳态响应[8]。

对于模态分析，F(t)=0,结构的阻尼[C]可忽略不计，其动力学方程为

(3)

对于谐响应分析，载荷和位移都随着时间按照正弦规律变化，F(t)=F0sin(ωt+φ0)，其动力方程式为

(4)

模态分析用于分析结构的固有频率和振形等特性，由于自由振动是正弦规律的，式(3)可变形为

([K]-ω2[M])u0=0

(5)

式中，u0自由振动总体振幅列阵即振幅；ω：固有频率。

4.1转子模态分析

模态分析方面采用子空间迭代法[9]对转子的前六阶振动特性进行分析，转子的约束等效如前所述。经分析计算，转子的前六阶频率和第三阶振形分别如表1和图5所示。

表1　转子前六阶固有频率

图5　转子第三阶振形

检测转子的第三阶临界转速60×412=24 720r/min,而在实际检测过程中，转子的最高转速不超过3 000r/min,远低于此临界转速，因此设计能有效避开主轴共振区。

4.2转子谐响应分析

旋转机械的偏心转动力将会产生简谐载荷[10]，因此需要对检测转子进行谐响应分析，以研究检测转子在不同频率和幅值的偏心载荷下动态响应。在模态分析基础上进行谐响应分析，频率范围为0～500Hz，其谐响应结构如图6所示。从到400Hz振幅一直缓慢上升，当频率达到400Hz时，出现第一个振幅波峰。

转子实际工作在50Hz以下，最大振幅为1.37×10-6mm，能满足检测精度。

图6　转子谐响应曲线

5结束语

(1)建立了检测转子的简化有限元分析模型，进行了转子的静刚度分析计算，得出转子设计的强度和挠度满足要求；(2)对转子进行模态和谐响应分析，获得了转子前六阶固有频率和振形，表明转子在3 000r/min额定转速下不会发生共振。而谐响应分析验证了转子的抗震性能，保证了检测精度。

参考文献

[1]李育忠,郑宏丽,贾世民,等.国内外油气管道检测监测技术发展现状[J].石油科技论坛,2012,31(2):30-35.

[2]刘建超.旋转探头棒材超声检测系统的工艺研究及动力学仿真[D].上海:华东理工大学,2012.

[3]尹志宏,范文冲.主轴系统空运转模态分析[J].机械强度,2006,28(S1):30-32.

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[8]范钦珊,蔡新.工程力学[M].2版.北京:机械工业出版社,2012.

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[10]沈山山,钟建琳,米洁,等.基于ANSYSWorkbench的电主轴系统静态特性分析[J].制造业自动化,2013,35(20):140-142.

Research of Static & Dynamic Characteristics of the Rotor for Ultrasonic Scanning System

ZHANG Jing，JIANG Wenqing

(School of Mechanical Engineering ,University of shanghai for Science & Technology ,Shanghai 200093, China)

AbstractIn order to study the rotor static stiffness and dynamic stiffness of The Rotor For Ultrasonic Scanning System, established a simplified finite element rotor model, and the application of finite element analysis software ANSYS for static analysis, modal analysis and harmonic response analysis of rotor, obtained the rotor structure stress, deformation nephogram and the first six order natural frequency. The analysis results show that the rotor static and dynamic stiffness of coincidence detection validate rationality of the structure design of the rotor, reliable basis for evaluation for design of detection system of rotor.

Keywordsthe roter; static stiffness; dynamic stiffness

收稿日期:2015-11-07

作者简介:张晶(1988-),男，硕士研究生。研究方向：机械结构设计，有限元仿真。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.047

中图分类号TP274+.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-164-03