船舶用電機(jī)定子減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉澤松 高建建

摘要： 本文通過對(duì)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高電機(jī)減振降噪性能。以電機(jī)定子的厚度及內(nèi)槽數(shù)量、外槽寬度為設(shè)計(jì)變量，通過有限元仿真軟件ANSYS求解計(jì)算了不同參數(shù)的設(shè)計(jì)變量下電機(jī)定子的位移、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，固有頻率等，并且進(jìn)行諧響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。通過多元回歸分析得到設(shè)計(jì)參數(shù)與分析結(jié)果的近似函數(shù)方程，根據(jù)所得方程求解最優(yōu)參數(shù)。利用NSGA-II遺傳算法，將減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為在給定約束下求解多目標(biāo)的全局最優(yōu)解問題，得到的最終優(yōu)化方案。

Abstract： This article optimizes the motor stator structure to improve the motor's vibration and noise reduction performance. Taking the thickness of the motor stator， the number of inner slots， and the width of the outer slots as design variables， the finite element simulation software ANSYS is used to solve and calculate the displacement， stress， strain cloud diagram， natural frequency， etc. of the motor stator under the design variables of different parameters， and perform the harmonic response. Analysis and random vibration analysis. The approximate function equations of the design parameters and the analysis results are obtained through multiple regression analysis， and the optimal parameters are solved according to the obtained equations. Using the NSGA-II genetic algorithm， the optimization design problem of vibration reduction and noise reduction is transformed into a multi-objective global optimal solution problem under given constraints， and the final optimization scheme is obtained.

關(guān)鍵詞： 減振降噪;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);NSGA-II遺傳算法

Key words： vibration reduction and noise reduction;finite element analysis;optimal design;NSGA-II genetic algorithm

中圖分類號(hào)：U663.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0024-02

0? 引言

在現(xiàn)代船舶當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)是保證安全航行的重要組成部分，艦船用電機(jī)是船舶配套設(shè)備及艦艇用輔助裝置（操舵裝置、錨機(jī)和絞盤機(jī)、減搖裝置、通風(fēng)機(jī)等）的主要驅(qū)動(dòng)裝置。但是很多船舶的機(jī)艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作人員很難直接通過對(duì)實(shí)物進(jìn)行操作和管理來學(xué)習(xí)。另一方面，目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)的艦船用電機(jī)品種和規(guī)格比較單一，振動(dòng)大、噪聲強(qiáng)，不僅對(duì)船上設(shè)備儀器的正常運(yùn)用造成較大影響，對(duì)船員的工作生活和身體健康亦有所影響[1]，而且還會(huì)對(duì)水域沿岸的居民生活產(chǎn)生影響，甚至?xí)?duì)水域環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染，影響水域生物的生活，進(jìn)而影響整片水域的漁業(yè)生產(chǎn)[2]。在此條件下，通過計(jì)算機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)建模與仿真，有利于分析和解決船舶電機(jī)的故障問題。因此本文通過研究電機(jī)關(guān)鍵零部件電機(jī)定子來提高電動(dòng)機(jī)減振性。

目前電機(jī)主要可以分為直流和交流電機(jī)。近年來，隨著交流電機(jī)技術(shù)越來越成熟，直流電機(jī)逐漸被交流電機(jī)所取代。湖北工業(yè)大學(xué)的汪思敏[3]著重研究磁極偏移對(duì)無刷電機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲影響，建立有限元模型，并通過三維仿真分析了機(jī)殼厚度、繞組形式和浸漆對(duì)無刷電機(jī)固有模態(tài)的影響。劉磊[4]等人對(duì)無人艇電動(dòng)舵機(jī)展開研究，建立了電動(dòng)舵機(jī)的電磁場(chǎng)仿真模型。

電機(jī)定子是電動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)的部分。定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。為了減少實(shí)際應(yīng)用中電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)及噪聲的問題，本文對(duì)電機(jī)定子模型綜合優(yōu)化通過上述分析，利用遺傳算法，獲取同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)自重小、動(dòng)響應(yīng)條件好的定子結(jié)構(gòu)尺寸。

1? 有限元建模

圖1為電動(dòng)機(jī)定子。在進(jìn)行載荷施加時(shí)，其他零件以施加載荷的形式作用在電機(jī)定子上，電機(jī)定子模型。本文通過改變定子厚度和內(nèi)槽數(shù)量以及外槽尺寸三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)來建立不同的電機(jī)定子模型，每個(gè)參數(shù)按照收斂性取五個(gè)等級(jí)，共計(jì)一百二十五組模型。分析電動(dòng)機(jī)的模型可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)定子僅受自身的重力以及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩。電機(jī)定子的自重可以通過ansys直接添加，轉(zhuǎn)矩為繞中心軸的大小為500N·m。

2? 靜強(qiáng)度分析

對(duì)電機(jī)定子施加了約束條件和載荷后，經(jīng)Ansys計(jì)算求解，得知電機(jī)定子的最大應(yīng)力強(qiáng)度為7539.4Pa。

查閱資料可知，電機(jī)定子材料屈服強(qiáng)度為450MPa，取安全系數(shù)S為1.5。有上述靜力學(xué)分析結(jié)果可知電機(jī)定子最大應(yīng)變?yōu)?539.4Pa，經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)滿足強(qiáng)度要求。

3? 電機(jī)定子的模態(tài)分析

對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行模態(tài)分析可以計(jì)算求解它的各階模態(tài)的振動(dòng)頻率和模態(tài)特性。對(duì)于電機(jī)整機(jī)來說，對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行模態(tài)分析可以有效提高其工作時(shí)的穩(wěn)定性，并且降低振動(dòng)，從而提高電機(jī)工作性能。模態(tài)分析結(jié)果：一階模態(tài)頻率為15143Hz，二階模態(tài)頻率為15216Hz。因?yàn)殡A數(shù)愈高，在現(xiàn)實(shí)生活中愈難實(shí)現(xiàn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮1階和2階的求解結(jié)果，已知電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到的激勵(lì)頻率為49Hz，故電機(jī)定子的原始模型在電機(jī)工作是避開了共振頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4? 電機(jī)定子的動(dòng)力學(xué)分析

4.1 模型的諧響應(yīng)分析? 諧響應(yīng)分析是用來分析當(dāng)施加常值頻率和幅值的正弦載荷時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通過諧響應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)可以在不同頻率的簡(jiǎn)諧載荷下不受破壞，并且降低振動(dòng)幅值。電機(jī)定子的位移值為1.4927*10-11m。

4.2 模型的隨機(jī)振動(dòng)分析? 隨機(jī)振動(dòng)分析是一種從概率統(tǒng)計(jì)學(xué)中衍生出的譜分析。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的功率譜密度函數(shù)。本文施加的載荷為位移頻譜激勵(lì)。計(jì)算求解后得到電機(jī)定子模型的X、Y及Z方向的等效形變，其中X方向最大形變值1.9726*10-11m。

5? 基于NSGA-II遺傳算法的綜合設(shè)計(jì)

在本文的電機(jī)定子優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要實(shí)現(xiàn)減振降噪的目的。在定子滿足強(qiáng)度要求的前提下，需要盡可能減小電機(jī)工作時(shí)電機(jī)定子的振動(dòng)幅值，使其能夠運(yùn)行平穩(wěn)、安全;還需要調(diào)整電機(jī)定子的固有頻率，防止發(fā)生共振現(xiàn)象。因此需要利用多目標(biāo)優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文通過NSGA-II遺傳算法對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)對(duì)應(yīng)的離散點(diǎn)通過Matlab軟件擬合成一條曲線，通過遺傳算法，獲得電機(jī)定子的最優(yōu)參數(shù)。遺傳算法的原理是基于優(yōu)勝劣汰原則，在參數(shù)定義域內(nèi)搜索最優(yōu)方案的算法。遺傳算法的基本流程是生成一個(gè)有一定規(guī)模的初始種群，然后通過選擇、交叉、變異這三種操作生成子群，然后不斷重復(fù)這一過程直至滿足程序條件獲得最優(yōu)解。NSGA-II是基于遺傳算法的多目標(biāo)遺傳算法，它一方面提出了快速非支配排序法和、擁擠度概念，降低了運(yùn)算復(fù)雜度，另一方面引進(jìn)了精英策略，因而優(yōu)質(zhì)解不會(huì)在進(jìn)化時(shí)丟失。由于NSGA-II遺傳算法在解決多目標(biāo)優(yōu)化問題上有上述等優(yōu)點(diǎn)，本文采用此算法求解全局最優(yōu)解。所得電機(jī)定子的應(yīng)力最大值均滿足強(qiáng)度要求。定子厚度較小時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度影響很大，但當(dāng)定子厚度達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度影響不明顯。故為了減小計(jì)算量，不添加靜力學(xué)分析結(jié)果作為綜合優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。電機(jī)定子各階的固有頻率與電機(jī)的激振頻率差距很大，可以有效避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，在利用NSGA-II遺傳算法進(jìn)行綜合優(yōu)化時(shí)，可以不考慮設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)定子固有頻率的影響，減少綜合優(yōu)化計(jì)算時(shí)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量。主要考慮電機(jī)定子厚度和內(nèi)槽數(shù)量?jī)蓚€(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)定子諧響應(yīng)分析結(jié)果和隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果的影響，因此本次優(yōu)化為二目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題，以擬合函數(shù)的最小值為優(yōu)化目標(biāo)。

設(shè)Z1=f（x，y），通過Matlab軟件進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果得出：

Z1=-8.2e（-10）+3.721e（-11）x+1.166e（-8）y（1）

x——電機(jī)定子厚度;y——電機(jī)定子內(nèi)槽數(shù)量;Z1——電機(jī)定子靜力學(xué)分析所得最大形變值。

設(shè)Z2=f（x，y），通過Matlab軟件進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果得出：

Z2=8.297e（-9）-1.625e（-10）x-1.975e（-8）y（2）

Z2——電機(jī)定子諧響應(yīng)分析所得最大形變值。

通過上文分析可以看出肋板數(shù)量對(duì)隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果影響較小，故只分析電機(jī)定子厚度對(duì)分析結(jié)果影響。

設(shè)Z3=f（x），通過Matlab軟件進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果得出：

Z3=2.175e（-6）-7.996e（-8）x（3）

Z3——電機(jī)定子隨機(jī)振動(dòng)分析所得最大形變值。

在Matlab中調(diào)用NSGA-II遺傳算法程序，設(shè)置種群大小為20，進(jìn)化總代數(shù)為100;設(shè)置目標(biāo)函數(shù)數(shù)量為2，決定變量為2;設(shè)置決定變量1為電機(jī)定子厚度，最小值為0.11，最大值為0.17;設(shè)置決定變量2為內(nèi)槽數(shù)量，最小值為26，最大值為33。調(diào)用NSGA-II遺傳算法程序計(jì)算求解，得到電機(jī)定子綜合優(yōu)化的全局最優(yōu)解集，本次優(yōu)化結(jié)果：x=13.9441684，y=31.1796081;即電機(jī)定子厚度約為14.0mm，肋板數(shù)量為31。根據(jù)NSGS-II遺傳算法綜合優(yōu)化所得參數(shù)建立電機(jī)定子模型，通過Ansys軟件中的Workbench模塊進(jìn)行分析，檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果。

靜力學(xué)分析結(jié)果，電機(jī)定子許用應(yīng)力為300MPa，靜力學(xué)分析所得最大應(yīng)力值7501Pa，遠(yuǎn)小于電機(jī)定子許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。電機(jī)定子原始模型靜力學(xué)分析所得最大應(yīng)力值為7539.4Pa，比較可知，優(yōu)化所得電機(jī)定子最大應(yīng)力值小于原始模型最大應(yīng)力值。

優(yōu)化電機(jī)定子的一階模態(tài)頻率16628Hz，二階模態(tài)頻率為16632Hz，如表1所示，模態(tài)頻率均遠(yuǎn)離激振頻率49Hz，故不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。比較發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模型各階頻率均大于原始模型模態(tài)頻率，防止共振現(xiàn)象的效果更好。

諧響應(yīng)分析最大位移值為2.4299*10-19m，比較電機(jī)定子原始模型諧響應(yīng)分析結(jié)果最大位移值為1.4927*10-11m，很明顯，諧響應(yīng)分析結(jié)果得到優(yōu)化，即電機(jī)定子在諧波載荷作用下振動(dòng)減小。計(jì)算可知，X方向振動(dòng)幅值明顯降低，故優(yōu)化方案對(duì)降低隨機(jī)振動(dòng)有顯著影響。

6? 總結(jié)

減振降噪優(yōu)化是提高電機(jī)性能的有效方法。電機(jī)定子的減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多自變量、多優(yōu)化目標(biāo)的較為復(fù)雜的問題。本文通過有限元軟件ANSYS中的 Workbench模塊，將電機(jī)定子模型導(dǎo)入并分析，經(jīng)過計(jì)算對(duì)各組模型進(jìn)行求解統(tǒng)計(jì)，可以快速獲得設(shè)計(jì)變量與因變量的離散點(diǎn)，通過Matlab軟件對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，獲得了擬合優(yōu)度較好的回歸方程。最后借助NGSA-II遺傳算法進(jìn)行二目標(biāo)綜合優(yōu)化，求解出全局最優(yōu)解集，取其一個(gè)最優(yōu)解方案為：電機(jī)定子厚度為14mm，內(nèi)槽數(shù)量為31。經(jīng)過優(yōu)化后，電機(jī)定子重量由8.9kg減少到7.6kg，降低了14%，電機(jī)定子在諧波載荷下的振動(dòng)幅值降低，x方向隨機(jī)振動(dòng)振動(dòng)幅值降低，達(dá)到本次電機(jī)定子減振降噪的優(yōu)化目標(biāo)。

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