耦合自由度与生成刚性区域

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　　某风机厂生产的某型离心风机将用于核电站工程，抗震分类1A。设计要求风机和支撑构件在给定的楼面响应谱条件下应能保持结构的完整性;在地震力和其它规定的力组合作用下，设备主要受力构件所承受的应力均应在有关规范、标准所规定的允许应力限值之内;主要受力构件的变形均不应导致设备和材料整体的破坏及功能性损害。为此，对该设备的结构抗震性能进行计算分析，目的是验证该设备的抗震安全性。

　　用ANSYS软件进行反应谱分析，模型中主轴与轴承支架及飞轮连接地方的处理是一关键点。第一次建模中主轴与飞轮及轴承支架处耦合相应节点UX、UY、UZ三个方向平动自由度，为防止主轴发生转动，在主轴两端选取两个节点，分别约束其X、Y、Z方向转动自由度。


　　用这种处理方法计算出来模型前三阶频率分别为5.31、6.61和8.80，系统固有频率落入地震输入反应谱峰值频域，导致较大的地震反应，B级工况下机壳及机壳支架应力超过限制，抗震不通过。后来意识到主轴与支架及飞轮采用这种处理方法存在的问题：其一是耦合时采用先选择要耦合处理的节点，然后用CP命令做耦合，这样做会导致耦合时主节点由系统指定，虽然由系统指定主节点对于主轴与轴套及飞轮耦合没有太大影响，但是对主轴与轴承支架的耦合来说问题很大，从图中可以看出没有实现主轴上一个节点耦合轴承支架上两个节点的目标。其二是约束主轴上两个节点三个方向的转动自由度与实际情况差别巨大，实际中主轴对应位置可以有与轴套、飞轮、轴承支架相一致的转动。

　　下面来用另外一种方法处理，取消对主轴两端三个方向的转动约束，主轴与轴套、飞轮、轴承支架处处理为刚性区域，主轴上对应点设置为主节点，轴套及飞轮对应位置处一圈节点、支架上对应位置三个节点设置为从节点，生成刚性区域时约束方程中自由度分别选UX、UY、UZ及ROTZ,处理效果见下图。


　　第二种方法计算出来的模型前三阶频率分别为3.7、5.1和6.2，B级工况系统最大响应力44.4MPa，远小于对应材料限值103MPa，123MPa，154MPa;D级工况系统最大响应力48.6MPa，也远小于对应材料限值154MPa，184MPa，231MPa，276MPa。结构在抗震安全性方面满足国家规范和和行业标准相关要求。

　　由以上对比可以看出在对风机结构进行数值模拟时主轴与轴套、飞轮、轴承支架连接处处理方法的重要性。主轴处不可随意施加转动方向的约束，可以把转动自由度放入建立的约束方程中。连接处处理方法有多种，刚性区域法较为优越，该法自动建立约束方程，减少了出错的几率。



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