[發(fā)明專利]基于模態(tài)分析的疊壓鐵心各向異性參數(shù)的測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811379707.2
• 申請日: 2018-11-19
• 公開（公告）號: CN109543282B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任曉輝;雷平振;江俊;王順增;羅東;杜小淵
• 申請（專利權(quán)）人: 中車永濟電機有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

1.基于模態(tài)分析的疊壓鐵心各向異性參數(shù)的測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，所述疊壓鐵心結(jié)構(gòu)是由薄片結(jié)構(gòu)沿鐵心軸向疊壓而成，包括外圓柱表面、內(nèi)齒形表面和軸端壓緊表面，精細化建立疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的有限元模型，基于真實模型的特點，將疊壓鐵心結(jié)構(gòu)等效為帶有內(nèi)齒形表面實體的橫向各向異性均質(zhì)材料的有限元模型；

步驟2，利用基于相對靈敏度分析的參數(shù)選擇方法，對步驟1建立的疊壓鐵心結(jié)構(gòu)有限元模型的待修正參數(shù)進行相對靈敏度分析，并進行參數(shù)分組，得到靈敏參數(shù)組；

2.1對于徑向?qū)ΨQ的鐵心軸向?qū)盈B結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為橫向各向異性，基于笛卡爾直角坐標系，將靈敏參數(shù)分為徑向的各向同性平面XOY組和軸向Z組，其中各向同性的XOY平面即是疊片所在的平面，而垂直于疊片平面的疊片疊壓方向為軸向Z方向；同時，由于整個疊壓鐵芯結(jié)構(gòu)關(guān)于軸向Z方向?qū)ΨQ，因此各向同性平面XOY組中的沿徑向X和Y方向不做區(qū)分，即與X和Y方向相關(guān)的材料參數(shù)完全相同；

(1)XOY組中，疊壓鐵心的楊氏模量E、切變模量G和泊松比υ的關(guān)系表達式為：

E_X＝E_Y

其中：E_X和E_Y分別是各向同性面沿徑向的X和Y方向楊氏模量，υ_XY是各向同性面沿徑向的X與Y方向的相關(guān)泊松比，G_XY是各向同性面沿徑向的X與Y方向的相關(guān)剪切模量；

(2)Z組中，疊壓鐵心的楊氏模量E、切變模量G和泊松比υ的關(guān)系表達式為：

G_XZ＝G_YZ

υ_XZ＝υ_YZ (2)

其中：G_XZ和G_YZ是各向同性面沿徑向的X和Y方向分別與軸向Z方向的相關(guān)剪切模量，υ_XZ和υ_YZ是各向同性面沿徑向的X和Y方向與軸向Z方向的相關(guān)泊松比；

2.2同樣地，依據(jù)疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的徑向?qū)ΨQ性，將疊壓鐵心的模態(tài)振型分為四種類型：

(1)鐵心軸向兩端同相變化的對稱振型，標記為P_si，其中i是鐵心沿周向做大幅度變化的振型節(jié)點數(shù)，i≥2；

(2)鐵心軸向兩端反相變化的反對稱振型，標記為P_ai，其中i是鐵心沿周向做大幅度變化的振型節(jié)點數(shù)，i≥2；

(3)鐵心軸向兩端同相變化的內(nèi)外表面收縮擴張振型，標記為P₀；

(4)其他復(fù)雜不規(guī)則振型；

2.3結(jié)合2.1和2.2中的模態(tài)參數(shù)和靈敏參數(shù)的分組，以不同類型模態(tài)振型的頻率變化為目標，參數(shù)化分析XOY組的E_X、E_Y對對稱模態(tài)P_si和同相收縮擴張模態(tài)P₀的靈敏度，同時參數(shù)化分析Z組的G_XZ、G_YZ對反對稱模態(tài)P_ai的靈敏度，以及E_Z的靈敏度，E_Z是軸向Z方向楊氏模量；

步驟3，在自由邊界條件下，對疊壓鐵心結(jié)構(gòu)進行全面精確的模態(tài)測量，對模態(tài)參數(shù)進行測量與識別，得到疊壓鐵心結(jié)構(gòu)各階次模態(tài)參數(shù)——模態(tài)頻率和模態(tài)振型；

模態(tài)試驗中采用的試驗系統(tǒng)包括脈沖力錘或激振器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集和分析儀、以及計算機，所述脈沖力錘或激振器，以及加速度傳感器接入數(shù)據(jù)采集和分析儀，再與計算機相連接，還包括如下步驟：

3.1對疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的外圓柱表面、內(nèi)齒形表面和軸端壓緊表面分別布置節(jié)點，按照物理模型的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的點-線-面實驗?zāi)Ｐ停辉阼F心的外圓柱表面，沿周向每圈至少均勻分布16個節(jié)點，同時沿軸向至少布置2圈，且要求2個軸端的周向必須各有至少1圈的節(jié)點；在鐵心的內(nèi)齒形表面，節(jié)點的布置與外圓柱表面的節(jié)點要求相同；在鐵心的2個軸端壓緊表面，每個表面相對應(yīng)至少布置1圈節(jié)點，每圈的節(jié)點數(shù)和外圓柱表面周向節(jié)點數(shù)相同；同時，稱重得疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的質(zhì)量m；

3.2利用足夠強度的彈性繩索將疊壓鐵心結(jié)構(gòu)懸掛，使其處于接近無約束條件狀態(tài)；固定布置加速度傳感器，需要滿足同時測量各向同性面XOY的X、Y方向，以及軸向的Z方向的響應(yīng)；

3.3連接數(shù)據(jù)采集和分析儀，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集和分析參數(shù)；

3.4對疊壓鐵心結(jié)構(gòu)沿垂直于外圓柱表面、內(nèi)齒形表面和軸端壓緊表面方向進行激勵，利用多次平均的方式，采集每一節(jié)點在受到脈沖激勵時的力信號與響應(yīng)信號，得到節(jié)點的頻響函數(shù)FRF；

3.5用數(shù)據(jù)分析儀對節(jié)點的FRF曲線進行模態(tài)參數(shù)識別，通過曲線擬合得到疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型；

步驟4，以精確的試驗?zāi)B(tài)參數(shù)為基準，利用分組優(yōu)化的基準比較方法，基于步驟3得到的疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，與步驟1建立的疊壓鐵心有限元模型的模態(tài)計算結(jié)果進行等效性分析，修正優(yōu)化有限元模型的靈敏參數(shù)組，獲取識別后的疊壓鐵心結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)及材料性能參數(shù)；

4.1根據(jù)步驟2中模態(tài)參數(shù)的分組要求，對疊壓鐵心結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的模態(tài)振型進行分組分析，確定振型的變化結(jié)構(gòu)；同時，計算得出疊壓鐵心等效體積V_eq，基于疊壓鐵心的現(xiàn)場稱重質(zhì)量m，最終確定疊壓鐵心的等效密度ρ_eq；

4.2采用疊片的同性材料參數(shù)，設(shè)置疊壓鐵心有限元模型的υ_XZ和υ_YZ值；以對稱振型P_si和同相收縮擴張振型P₀的模態(tài)頻率作為優(yōu)化修正的基準，等效性對比分析疊壓鐵心有限元模型XOY組的E_X和E_Y；同樣地，以反對稱振型P_ai作為優(yōu)化修正的基準，等效性對比分析疊壓鐵心有限元模型Z組的G_XZ和G_YZ；最后，基于有限元模型Z組的E_Z對所有模態(tài)振型和頻率的影響，根據(jù)相對偏差計算公式(4)，以引起某階模態(tài)頻率f_i和f_i-1的相對偏差δ小于1％的E_Z值，和有限元模型XOY組的E_X或E_Y值，作為疊壓鐵心有限元模型Z組中E_Z的臨界值；

其中，f_i為第i階模態(tài)頻率，f_i-1為第i-1階模態(tài)頻率；

最終，以模態(tài)試驗振型頻率f_e和仿真計算振型頻率f_s的相似度ζ≥99.99％，以及基于模態(tài)試驗振型頻率的相對偏差δ≤3％，作為模態(tài)特性參數(shù)的評定標準；

4.3以疊壓鐵心的其他復(fù)雜不規(guī)則振型為基準，對4.1和4.2中得到的橫向各向異性疊壓鐵心有限元模型及其參數(shù)進行驗證，使相對應(yīng)振型頻率的相似度ζ≥99.84％，相對偏差δ≤8％，并最終確定疊壓鐵心等效結(jié)構(gòu)模型的各向異性等效參數(shù)。