基于SAMCEFROTOR的燃料电池汽车涡轮压气机转子动力学特性分析

1、基于SAMCEF/ROTOR的燃料电池汽车涡轮压气机转子动力学特性分析1引言现代社会的快速发展导致了人们对汽车这种交通工具的需求日益增加，由于石油这种化石燃料日益枯竭，导致人们开始寻求能够代替石油来驱动汽车的新能源。在潜在的能源中，氢燃料电池技术作为一种高能量密度，且清洁、环保的能源迅速成为世界各大汽车厂商竞相研究的热点。本文就针对一款应用于新型燃料电池汽车上的高速双级涡轮增压器，利用专业的转子动力学软件SAMCEF进行其转子动力学特性分析，从而为其设计以及优化提供理论依据。SAMCEFRotor是针对转子动力学的专业解决方案，它善于解决转子的动力学问题，如转子的涡动频率、临界转速、瞬态响应分

2、析和谐波分析等。SAMCEFRotor可以进行转子系统的建模，阻尼与无阻尼转子临界转速、转子的稳定性、不平衡响应分析以及瞬态响应分析、弯扭耦合分析等。因此，本文选用此款软件对本转子系统进行分析。2转子系统模型图1所示为燃料电池汽车的基本结构，它与传统汽车相比取消了发动机、进排气等结构，但是却加装了燃料电池反应堆装置。为了向燃料电池反应堆提供足够的、清洁的空气，必须在进气系统添加空气辅助系统，即压气机以及空气过滤装置。为了增加进气压力，空压机必须有较高的转速才能满足使用要求，但是这样一来就给转子系统的设计增加了很大的困难，为了验证空压机转子系统在高速旋转下的动态特性，对其转子系统进行了建模并分析

3、，转子系统模型如图2所示。空咒辅助茶筑（凤机、空谑）捋i罐料电也釣构示您图PiiJ.lStructureofLuelceJvehicle图1燃料电池汽车基本结构高速电机内转子永磁体图2双级增压器模型二级压气叶轮轴承支撑位置-级压气叶轮轴承支撑位置如图2所示，该转子系统由中间一根电主轴和两个叶轮组成，其中主轴中间部分为高速永磁电机的内转子，转子外表面表贴了四块永磁体，通过外定子磁场的添加带动了电主轴的旋转。永磁体和两级叶轮之间通过两个轴承支撑，表1给出了转轴从左至右每一段变截面的长度以及轴颈，表1转轴的结构参数编号轴颈(mm)长度(mm)11051.521531.5317204348545806

4、206371533.581045由于燃料电池汽车电池采用氢、氧化学反应所产生的电能，并且普通轴承的润滑油的挥形式见图3所示：转T菇子固定端菠箔片平箔片自直端轴承外壳卜設层、波箔片发会损坏电池的反应堆的质子交换膜，所以转子系统所采用的轴承位气体箔片轴承，其结构图3气体箔片轴承结构示意图与普通轴承相比，由于气体本身的可压缩性，所以气体轴承的刚度和阻尼系数较滚子轴承和滑动轴承偏低，这会使得整个转子系统的临界转速以及稳定性降低，气体轴承的刚度和阻尼系数见表2所示：表2轴承的刚度阻尼系数轴承Kxx(N/m)Kyy(N/m)Kxy(N/m)Kyx(N/m)Cxx(Ns/m)Cyy(Ns/m)左端轴承2e6

5、2e63e53e520002000右端轴承2e62e63e53e520002000将转子系统模型通过LMS.VirtrualLab导入SAMCEFROTOR并进行约束施加和材料属性的定义，由于转轴和叶轮的材料不同，所以两部分材料要分别定义，其材料的各项参数见表3:表3转轴与叶轮的材料属性结构杨氏模量泊松比密度叶轮71.7e9Pa0.357800kg/m3转轴2.1ellPa0.32700kg/m3将转子的材料以及轴承的参数输入，建立模型如图4所示：图4双级涡轮增压器分析模型（SAMCEF）模型建立完毕之后在SAMCEF进行求解。3计算结果临界转速计算首先，对转子系统计算了其临界转速，频率范围设

6、置为（O-lOOOHz）,计算了其前20阶模态，其结果如图5和表4所示，4pl|tU加ljaa-l.iaa1on翊KB阙KKITJd4M-KH獅Ma2m3(niSia.iQ.iXHiSJKK*R.WCiS.CODJC.iXKl呂pU电.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.图5转子系统坎贝尔图表4转子系统临界转速计算结果临界转速阶数转速（rpm）频率（Hz）131298.1827882521.6363798235135.82293653585.59704894333942.79882496565.71331375438726.08986181645.43483103谐波响应计算基于上述临界转速的分析，对转子系统又进行了谐波响应分析，给转子系统轴心处施加一个

8、偏心质量，考虑转轴正常工作时不会产生很大的质量偏心，所以取偏心质量为0.1kg，偏心距为0.01mm，偏心距的设定是由箔片气体轴承本身的性质所决定的。扫频信号初始频率设为0Hz，终止频率为1000Hz，特征值计算其前20阶特征值，分析方法为模态法。边界1.1转子质心处的加速度响应AfipKLHle左轴承的加速度响应右轴承的加速度响应图6转子系统谐波响应分析结果从图中可以看出，两个轴承还有转子质心处的加速度的幅值频率，均出现在521Hz/585Hz/565Hz/645Hz处，这四个频率成分恰是转子系统的临界转速，可见，谐波响应分析的结果与转子临界转速分析的结果是相一致的。转子瞬态响应分析基于上述

9、谐波响应分析，对转子系统又进行了瞬态响应分析，分析工况根据正常汽车工况选取，让转子系统在12s内，从0匀加速至最高转速即60000rpm,时间布设置为12000步，结果输出间隔为0.01s,共输出结果1200次。边界条件添加完毕后进行仿真，结果如图7所示：Tf轴心出加速度随时间的变化-+5K-t-0.0nsI.D1.121/Z.-53U5JJQ-IS3DS.-5HRflLS7B3.0ElJ4.0QAW.O1口耳11.0I1JTHF12.1左端轴承加速度随时间的变化IQID.-311J33.T5E-03.25a-fl1e-a?Keo1.KK.-A7J9DE-1DGJQDF1D2J5DE-1DOM

10、ET!2ADE-IHAjODE-ID-7ADE-IHIKtv3.KF-5JL25G-D右端轴承加速度随时间的的变化图7瞬态响应分析的结果从图中可以看出，三个测点的加速度有着相似的规律，在刚开始阶段有一个逐渐收敛的过程，之后会稳定在一个很小的范围内，这主要是由于支撑点的阻尼所产生的作用。之后随着转速的增加，加速度出现了发散，这是因为随着转速的增加，由于离心力所产生的加速度已经超过了支撑单元本身的阻尼可以衰减的范围，因此，其加速度会随着转速的提高而逐渐发散。图8对三个结果进行了频域的变换，从图中可以更加直观的看出振动加速度的频率分布。越心处的筋It嵐呻应时同1234587891fl11时円占维细号如連厦片应2345E7*B9IDII盯闫图8转子系统瞬态加速度响应4结论本文利用SAMCEF/Rotor建立了用