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用旋转动力学模块分析各种旋转机械

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发布时间:2019-07-30 作者:正脉科工CAE 浏览数:202

  当对旋转机器建模时,为了避免机器故障,研究影响其行为的振动是很重要的。实现这一点的一种方法是使用新的转子动力学模块,这是COMSOL多物理软件附加结构力学模块的扩展。今天,我们将向您介绍旋转动力学模块,并向您介绍其有助于改进旋转机械设计过程的功能和特点。

  旋转动力学建模能实现什么?

  让我们先简单介绍一下转子动力学建模。正如我们已经提到的文章前情提要转子动力学分析有助于提高旋转机械的功能性和安全性,旋转机械用于从航空航天技术到发电的许多行业。

  例如,假设你想确保发电机,一种旋转机器,避免不稳定,破坏性共振,以及由不良设计引起的故障。您可以使用旋转动力学分析来研究振动,这些振动既影响发电机的物理行为,又因发电机的旋转和结构而加剧。

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  发电机(左)和发电机的3D模型(右)。

  借助仿真软件,您可以提高转子动力学研究的准确性和简单性。现在,有了转子动力学模块,这个过程变得更加用户友好和灵活。

  转子动力学模块通过分析共振、应力、应变以及横向和扭转振动对旋转机械的影响,帮助您设置适当的设计参数,以将响应保持在可接受的操作极限内。此外,您可以使用本模块来进一步了解静止和运动的转子部件如何影响您的设计,以及其他参数,如临界速度、固有频率和模式形状。我们将在下一节深入探讨一些具体的好处和特性。

  为什么要使用转子动力学模块?

  转子动力学模块的主要优势之一是灵活性。使用此模块,您可以轻松定制模拟分析,以研究旋转组件的特定零件或整个结构。

  后一种选择是通过实心转子转子动力学模块中的接口,它使用三维计算机辅助设计几何图形来表示转子和实体元素,用于有限元建模。通过研究旋转组件中的所有组件,您可以生成尽可能精确的结果。虽然对整个系统建模对于转子的应力和变形不是必需的,但是它将提高仿真的准确性。为了获得应力和变形场在整个区域中的分布,有必要将转子建模为实体单元。

  使用该界面,您可以包括非线性几何效应,全面描述几何不对称,说明自旋软化和应力硬化等现象。

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  曲轴模型使用实心转子界面,用于分析轴承在润滑剂中的压力分布以及冯米塞斯应力。

  如果您希望您的模型计算成本更低,该怎么办?你可以求助于梁转子界面,为旋转机器建模提供更快、计算效率更高的选项。在该界面中,沿着转子轴线的边缘限定了转子,而其他旋转机器部件通过在它们各自的位置创建点来限定。

  研究旋转机械中的基础和轴承

  另一个优点是,该模块简化了转子系统中两个关键元件的建模过程:基础和轴承。首先,让我们来看看基础,它被分成三个不同的建模选项:

  不显著影响转子响应的基础的固定基础

  经受外部振动的基础和轴承的移动基础

  柔性基础由于其柔性而影响转子临界速度的基础

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  流体动力轴承中压力的模型。

  支撑在这些基础上的是轴承。让我们首先关注轴颈轴承,您可以使用转子动力学模块以两种方式对其建模:

  通过使用具有某些近似的集总模型

  通过对全流体动力轴承建模,包括润滑剂压力和流量的详细分析

  第二种选择利用三种不同的界面,其中流体动力部分基于完全雷诺方程实现。这流体动力轴承interface对轴颈轴承的行为进行了详细建模,并提供了一种在轴颈和衬套之间建模润滑油的简单方法。这带流体动力轴承的实心转子和带流体动压轴承的梁转子界面都分析转子、流体动力轴承及其相互作用。然而,顾名思义,前者使用实体元素来描述转子,后者使用梁来定义近似转子。

  如果你对推力轴承建模感兴趣,转子动力学模块已经介绍过了。该模块包括三种类型的推力轴承和行为:无间隙轴承、轴承刚度和阻尼系数以及轴承力和力矩。

  从一系列研究和绘图类型中进行选择

  使用前面讨论的特性和功能,您可以设计一个适合您特定需求的模型。然而,在转子动力学模块中有更多的定制,它提供了多种研究类型。

  通过包含的研究类型,您可以轻松模拟陀螺效应。同时,振动效应是从同向观察者的角度建模的。为了实现这一点,我们使用一个随转子旋转的坐标系。这消除了物理旋转转子来模拟组件的需要,简化了建模过程。在同向框架中建模还允许对旋转系统进行本征频率分析,否则这是不可能的,因为当在空间固定的框架中观察系统时,旋转是非线性的。

  可用的研究类型适用于静态和动态分析,包括:

  • 静态研究

  • 特征频率研究

  • 频率和时域研究

  • 瞬态快速傅立叶变换研究

  请注意,对于转子动力学分析,静态研究的定义不同于常规分析。

  在你完成你的研究后,是时候将你的结果格式化并与他人分享了。这样做需要选择最能可视化您的特定结果的绘图类型。请看下面的四张图片,看看您可以根据转子动力学分析创建的一些可用的绘图类型。

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  旋转图描绘了转子围绕其轴的模式形状。

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  坎贝尔绘图绘制了转子固有频率变化与其速度的关系。

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  瀑布图描绘了转子角速度增加时的频谱变化。

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  轨道图绘制了转子在某些点的位移,包括轴承和圆盘的位置。


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