基于SAMCEFROTOR的燃料電池汽車渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析

1、基于SAMCEF/ROTOR的燃料電池汽車渦輪壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析1引言現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了人們對(duì)汽車這種交通工具的需求日益增加，由于石油這種化石燃料日益枯竭，導(dǎo)致人們開始尋求能夠代替石油來驅(qū)動(dòng)汽車的新能源。在潛在的能源中，氫燃料電池技術(shù)作為一種高能量密度，且清潔、環(huán)保的能源迅速成為世界各大汽車廠商競相研究的熱點(diǎn)。本文就針對(duì)一款應(yīng)用于新型燃料電池汽車上的高速雙級(jí)渦輪增壓器，利用專業(yè)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件SAMCEF進(jìn)行其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析，從而為其設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供理論依據(jù)。SAMCEFRotor是針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的專業(yè)解決方案，它善于解決轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)問題，如轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)頻率、臨界轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)響應(yīng)分

2、析和諧波分析等。SAMCEFRotor可以進(jìn)行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模，阻尼與無阻尼轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性、不平衡響應(yīng)分析以及瞬態(tài)響應(yīng)分析、彎扭耦合分析等。因此，本文選用此款軟件對(duì)本轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行分析。2轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型圖1所示為燃料電池汽車的基本結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)汽車相比取消了發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣等結(jié)構(gòu)，但是卻加裝了燃料電池反應(yīng)堆裝置。為了向燃料電池反應(yīng)堆提供足夠的、清潔的空氣，必須在進(jìn)氣系統(tǒng)添加空氣輔助系統(tǒng)，即壓氣機(jī)以及空氣過濾裝置。為了增加進(jìn)氣壓力，空壓機(jī)必須有較高的轉(zhuǎn)速才能滿足使用要求，但是這樣一來就給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了很大的困難，為了驗(yàn)證空壓機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)下的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了建模并分析

3、，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖2所示。空咒輔助茶筑（鳳機(jī)、空謔）捋i罐料電也釣構(gòu)示您圖PiiJ.lStructureofLuelceJvehicle圖1燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)高速電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體圖2雙級(jí)增壓器模型二級(jí)壓氣葉輪軸承支撐位置-級(jí)壓氣葉輪軸承支撐位置如圖2所示，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由中間一根電主軸和兩個(gè)葉輪組成，其中主軸中間部分為高速永磁電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外表面表貼了四塊永磁體，通過外定子磁場的添加帶動(dòng)了電主軸的旋轉(zhuǎn)。永磁體和兩級(jí)葉輪之間通過兩個(gè)軸承支撐，表1給出了轉(zhuǎn)軸從左至右每一段變截面的長度以及軸頸，表1轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)編號(hào)軸頸(mm)長度(mm)11051.521531.5317204348545806

4、206371533.581045由于燃料電池汽車電池采用氫、氧化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電能，并且普通軸承的潤滑油的揮形式見圖3所示：轉(zhuǎn)T菇子固定端菠箔片平箔片自直端軸承外殼卜設(shè)層、波箔片發(fā)會(huì)損壞電池的反應(yīng)堆的質(zhì)子交換膜，所以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所采用的軸承位氣體箔片軸承，其結(jié)構(gòu)圖3氣體箔片軸承結(jié)構(gòu)示意圖與普通軸承相比，由于氣體本身的可壓縮性，所以氣體軸承的剛度和阻尼系數(shù)較滾子軸承和滑動(dòng)軸承偏低，這會(huì)使得整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速以及穩(wěn)定性降低，氣體軸承的剛度和阻尼系數(shù)見表2所示：表2軸承的剛度阻尼系數(shù)軸承Kxx(N/m)Kyy(N/m)Kxy(N/m)Kyx(N/m)Cxx(Ns/m)Cyy(Ns/m)左端軸承2e6

5、2e63e53e520002000右端軸承2e62e63e53e520002000將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型通過LMS.VirtrualLab導(dǎo)入SAMCEFROTOR并進(jìn)行約束施加和材料屬性的定義，由于轉(zhuǎn)軸和葉輪的材料不同，所以兩部分材料要分別定義，其材料的各項(xiàng)參數(shù)見表3:表3轉(zhuǎn)軸與葉輪的材料屬性結(jié)構(gòu)楊氏模量泊松比密度葉輪71.7e9Pa0.357800kg/m3轉(zhuǎn)軸2.1ellPa0.32700kg/m3將轉(zhuǎn)子的材料以及軸承的參數(shù)輸入，建立模型如圖4所示：圖4雙級(jí)渦輪增壓器分析模型（SAMCEF）模型建立完畢之后在SAMCEF進(jìn)行求解。3計(jì)算結(jié)果臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算首先，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)計(jì)算了其臨界轉(zhuǎn)速，頻率范圍設(shè)

6、置為（O-lOOOHz）,計(jì)算了其前20階模態(tài)，其結(jié)果如圖5和表4所示，4pl|tU加ljaa-l.iaa1on翊KB闕KKITJd4M-KH獅Ma2m3(niSia.iQ.iXHiSJKK*R.WCiS.CODJC.iXKl呂pU電.的0MjKXSiffitAHfiMM.fr.pjnfZI-iWFUTLCE-.*fZ2-iWFUTUC_.IZ.JFUTUDE_,*DI-.iyFLFUDE_.-12ti-?WFLinJDE_.十IHiVFFLnLClE-EF-iWF1JRC_.C8-iWFUTUC_.-f-r-iWFUTLCE-.-*r3O-iWFUTUC_.O1-.WFUTUDE.,-nSk

7、FLFUDE-.-rU3-?MFLinJDE_.Dl-iWFLTP-UEnr5-iWF1JRC_.BOiWFUTUC_.131”酬FUTLCe一肉酬FUTliCe1-曲4期LUTUDE-MD-AbFLFUDE.圖5轉(zhuǎn)子系統(tǒng)坎貝爾圖表4轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果臨界轉(zhuǎn)速階數(shù)轉(zhuǎn)速（rpm）頻率（Hz）131298.1827882521.6363798235135.82293653585.59704894333942.79882496565.71331375438726.08986181645.43483103諧波響應(yīng)計(jì)算基于上述臨界轉(zhuǎn)速的分析，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)又進(jìn)行了諧波響應(yīng)分析，給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心處施加一個(gè)

8、偏心質(zhì)量，考慮轉(zhuǎn)軸正常工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的質(zhì)量偏心，所以取偏心質(zhì)量為0.1kg，偏心距為0.01mm，偏心距的設(shè)定是由箔片氣體軸承本身的性質(zhì)所決定的。掃頻信號(hào)初始頻率設(shè)為0Hz，終止頻率為1000Hz，特征值計(jì)算其前20階特征值，分析方法為模態(tài)法。邊界1.1轉(zhuǎn)子質(zhì)心處的加速度響應(yīng)AfipKLHle左軸承的加速度響應(yīng)右軸承的加速度響應(yīng)圖6轉(zhuǎn)子系統(tǒng)諧波響應(yīng)分析結(jié)果從圖中可以看出，兩個(gè)軸承還有轉(zhuǎn)子質(zhì)心處的加速度的幅值頻率，均出現(xiàn)在521Hz/585Hz/565Hz/645Hz處，這四個(gè)頻率成分恰是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，可見，諧波響應(yīng)分析的結(jié)果與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析的結(jié)果是相一致的。轉(zhuǎn)子瞬態(tài)響應(yīng)分析基于上述

9、諧波響應(yīng)分析，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)又進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析，分析工況根據(jù)正常汽車工況選取，讓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在12s內(nèi)，從0勻加速至最高轉(zhuǎn)速即60000rpm,時(shí)間布設(shè)置為12000步，結(jié)果輸出間隔為0.01s,共輸出結(jié)果1200次。邊界條件添加完畢后進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示：Tf軸心出加速度隨時(shí)間的變化-+5K-t-0.0nsI.D1.121/Z.-53U5JJQ-IS3DS.-5HRflLS7B3.0ElJ4.0QAW.O1口耳11.0I1JTHF12.1左端軸承加速度隨時(shí)間的變化IQID.-311J33.T5E-03.25a-fl1e-a?Keo1.KK.-A7J9DE-1DGJQDF1D2J5DE-1DOM

10、ET!2ADE-IHAjODE-ID-7ADE-IHIKtv3.KF-5JL25G-D右端軸承加速度隨時(shí)間的的變化圖7瞬態(tài)響應(yīng)分析的結(jié)果從圖中可以看出，三個(gè)測點(diǎn)的加速度有著相似的規(guī)律，在剛開始階段有一個(gè)逐漸收斂的過程，之后會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，這主要是由于支撐點(diǎn)的阻尼所產(chǎn)生的作用。之后隨著轉(zhuǎn)速的增加，加速度出現(xiàn)了發(fā)散，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，由于離心力所產(chǎn)生的加速度已經(jīng)超過了支撐單元本身的阻尼可以衰減的范圍，因此，其加速度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸發(fā)散。圖8對(duì)三個(gè)結(jié)果進(jìn)行了頻域的變換，從圖中可以更加直觀的看出振動(dòng)加速度的頻率分布。越心處的筋I(lǐng)t嵐呻應(yīng)時(shí)同1234587891fl11時(shí)円占維細(xì)號(hào)如連廈片應(yīng)2345E7*B9IDII盯閆圖8轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)加速度響應(yīng)4結(jié)論本文利用SAMCEF/Rotor建立了用