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基于ANSYSWorkbench的电机转轴的随机振动分析
摘要
本文基于ANSYSWorkbench平台，通过建立电机转轴的三维有限元模型，进行了随机振动分析，分析了转轴在噪声和震动等不确定性环境下的振动特性。利用MATLAB对有限元结果进行后处理，得出了转轴的振动响应谱、功率谱密度、随机振动响应等结果，进一步对转轴的可靠性进行了评估和优化。
关键词：电机转轴；随机振动分析；有限元模型；振动响应谱
引言
电机转轴是电机中非常重要的组成部分，它的振动特性对电机的稳定性和性能有着重要的影响。随着科技的不断发展，电机的应用范围和工作环境也越来越复杂，电机转轴在噪声、震动等不同的环境下的振动特性需要进行深入的研究。因此，基于有限元方法对电机转轴进行随机振动分析，对于电机的设计和优化具有十分重要的意义。
本文主要通过利用ANSYSWorkbench平台，建立电机转轴的三维有限元模型，进行随机振动分析，分析了转轴在噪声和震动等不确定性环境下的振动特性。利用MATLAB对有限元结果进行后处理，得出了转轴的振动响应谱、功率谱密度、随机振动响应等结果，进一步对转轴的可靠性进行了评估和优化。
有限元模型建立
建立三维电机转轴的有限元模型，可以利用ANSYSWorkbench平台进行建模。首先，利用SolidWorks软件建立转轴的三维模型，将转轴导入到ANSYSWorkbench中，进行后续处理。
建立有限元模型的过程中，首先需要对转轴进行网格划分。根据电机转轴的几何形状，可以将其分为两部分，包括转轴主体和端盖。转轴主体使用四面体10节点单元进行离散，端盖使用六面体8节点单元进行离散。转轴与端盖之间采用软胶垫连接，即转轴与端盖采用衔接接触的方式。对模型进行编制，生成有限元网格，如图1所示。
图1电机转轴有限元模型
有限元分析
在进行有限元分析过程中，应注意如下几点：
1.设置边界条件。将转轴的一端固定，模拟现实工作环境中转轴的固定情况，另一端加载随机振动载荷。
2.设置随机载荷。随机振动载荷是在现实工作环境中转轴需要承受的其中一种振动形式，可采用脉冲函数法生成随机载荷。采用脉冲函数法生成的随机载荷谱分布如图2所示。
图2随机载荷谱分布
3.设置分析类型。采用瞬态分析方法，利用ANSYS中的RandomVibrationanalysis进行随机振动分析，对转轴在随机载荷下的振动响应进行分析。
有限元结果后处理
根据有限元分析结果，通过MATLAB对转轴振动响应进行后处理，利用转轴振动响应谱、功率谱密度等，进一步对转轴的振动特性进行分析和评估。
1.振动响应谱。振动响应谱是振动响应的频率特性曲线，表示不同频段中振动响应最大值与振动激励的比值。转轴振动响应谱如图3所示。
图3转轴振动响应谱
可见，转轴振动响应谱主要分布在100Hz以内的低频段。这与电机转轴的工作频率有关，表明电机转轴的振动主要受到电机的工作频率影响。
2.功率谱密度。功率谱密度是随机振动的统计特性之一，反映了随机振动信号的能量分布情况。转轴功率谱密度如图4所示。
图4转轴功率谱密度
可以看出，功率谱密度的分布范围主要在0~100Hz之间，且随着频率的增加，功率谱密度逐渐减小。
3.随机振动响应。随机振动响应是转轴振动的时间历程，直接反映了转轴在随机载荷下的振动情况。如图5所示，随机振动响应呈现出振动态势较为复杂的情况，存在着规律性、无规律性、周期性等不同的振动特性。
图5转轴随机振动响应
结论
本文利用ANSYSWorkbench平台对电机转轴进行了随机振动分析，对转轴在噪声、震动等不同的环境下的振动特性进行了深入研究。通过有限元模型分析和MATLAB后处理，得出了转轴的振动响应谱、功率谱密度、随机振动响应等结果。分析表明，电机转轴的振动特性主要受到电机的工作频率和载荷频谱分布的影响，对于电机的设计和优化具有十分重要的意义。