转子动力学的建模和分析

在涉及转子动力学的分析中构建模型时，识别并将旋转和非旋转部件分离非常重要：

• 将旋转速度（或速度）应用于旋转部件

• 确保旋转部件是轴对称的

无论是在ANSYS中构建模型，还是从外部CAD程序导入模型，都需要使用ANSYS中的分组和选择功能来定义模型的各个区域，以优化分析。

在转子动力学分析的情况下，这意味着将转盘，轴承，支撑结构和其他区域识别为部件或组件。

转子动力学分析模型由旋转和静止部件组成：

• 旋转部件使用支持陀螺效果的单元建模。

可以将任何单元类型（包括超单元（MATRIX50））用于非旋转零件。

轴承建模要通过输入刚度和阻尼特性对轴承进行建模，请从下表中为您的应用选择最合适的单元类型。

可以使用COMBI214（KEYOPT（1）> 0）或FLUID218（KEYOPT（1）= 1）对普

通圆柱滑动轴承或挤压膜阻尼器进行建模，该系统集成了液膜的雷诺方程。

COMBIN14单元可在一个方向上实现刚度和/或阻尼特性。要沿X轴定义具有特征KX和CX的轴承：

KX = 1.e+5           !Example stiffness value

CX = 100              !Example damping value

et,1,combin14

keyopt,1,2,1          !X direction

r,1,KX,CX

必须指定KEYOPT（2）来定义有效自由度。该单元在节点坐标系中运行。

2-D单元支持用户定义的刚度/阻尼特性（KEYOPT（1）= 0）或基于有限长度假设的普通圆柱滑动轴承的轴承特性（或轴承力）的计算（KEYOPT（1） > 0）。

用户定义的刚度和阻尼特性（KEYOPT（1）= 0）

COMBI214单元允许在2个垂直方向上的刚度和/或阻尼特性以及交叉项。要在YZ平面中定义轴承：

et,1,combi214

keyopt,1,2,1               ! YZ plane

r,1,KYY,KZZ,KYZ,KZY,CYY,CZZ

rmore,CYZ,CZY

注意

必须指定KEYOPT（2）来定义活动自由度。该单元在节点坐标系中运行。

例如在动压轴承（hydrodynamic bearing ）的情况下，特性可随旋转速度而变化。在这种情况下，您需要将OMEGS指定为表参数主变量（* DIM命令）。在模态分析（ANTYPE，MODAL），全谐波分析（ANTYPE，HARMIC）或全瞬态分析（ANTYPE，TRANS）中激活CORIOLIS命令时，它都支持。

以下给出了不同特征KYY和KZZ的示例：

et,1,combi214

keyopt,1,2,1   ! YZ plane

! define table KYY

*DIM,KYY,table,3,1,1,omegs   ! table of dimension 3 depending upon omegs

KYY(1,0) = 0 , 1000 , 2000 ! 3 rotational velocities (rd/s)

KYY(1,1) = 1.e+6 , 2.7e+6 , 3.2e+6   ! stiffness characteristic at each rotational velocity

! define table KZZ

*DIM,KZZ,table,3,1,1,omegs ! table of dimension 3 depending upon omegs

KZZ(1,0) = 0 , 1000 , 2000 ! 3 rotational velocities (rd/s)

KZZ(1,1) = 1.4e+6 , 4.e+6 , 4.2e+6 ! stiffness characteristic at each rotational velocity

r,1,%KYY%,%KZZ%

注意

如果COMBI214单元的特性随旋转速度而变化，并且如果使用了部件旋转速度（CMOMEGA），请确保该单元是相应旋转部件的一部分。

在挤压膜阻尼器的情况下，特性可随转子偏心率和/或两个节点方向上的转子位移之间的相变而变化。在这种情况下，您需要指定ECCENT和/或THETA作为表参数主变量（* DIM命令）。下面给出了KXX变化特征的基本示

例：

*dim, KXX,table,2,2,, eccent, theta

KXX(1,0) = 0, 1.e-2 ! 2 eccentricity values

KXX(0,1) = -180 ! 2 theta values (in degree)

KXX(0,2) = 180

KXX(1,1) = 1.e+5, 1.e+4 ! stiffness values for each

KXX(1,2) = 1.e+6, 1.e+5 ! value of eccentricity and theta (2x2)

可以使用APDL macro importbearing1.mac直接从ASCII文本文件导入特征。

macro用法的示例如下：

! Import the bearing characteristics read in file bearingAP.txt

! and create the table parameters K11_3, K12_3...

importbearing1, ‘bearingAP’, 3

! Define the bearing element real constants

r,1,%K11_3%,%K22_3%,%K12_3%,%K21_3%,%C11_3%,%C22_3%,

rmore, %C12_3%, %C21_3%

轴承特性的计算（KEYOPT（1）> 0）

在静态分析中，可以使用靠近用户定义的平衡位置的小扰动来计算普通圆柱轴颈轴承或挤压膜阻尼器的刚度和阻尼特性。

这些特性可用作后续模态或谐波分析中的COMBI214实常数（KEYOPT（1）= 0）。

非线性轴承力的计算（KEYOPT（1）> 0）

在非线性大变形瞬态分析中，轴承力是根据轴承定义（实常数和材料粘度）以及瞬时位移和速度计算的。

注意：

轴承单元通常具有大的刚度值以能够支撑旋转结构。而且，轴承间隙非常小并且流体膜压力高，因此非常小的位移引起轴承力的变化。运行此类分析时，请确保时间步长足够小以表示轴承的非线性。

FLUID218单元基于雷诺方程的集成，用于普通圆柱滑动轴承中的流体薄膜。与COMBI214不同，因为它是一个三维单元，任何类型的凹槽或供应孔都可以建模指定压力边界条件。它支持：

仅在压力分布和压力确定的静态分析中使用压力自由度（KEYOPT（1）= 0）。

压力和结构自由度（KEYOPT（1）= 1）用于非线性大变形瞬态分析，其中计算与时间相关的轴位置，压强和压力。

MATRIX27单元允许定义12 x 12刚度和阻尼矩阵。那些矩阵可以是对称的或不对称的。

MATRIX27使用示例：

et,1,matrix27,,2,4,1 ! unsymmetric [K] with printout

et,2,matrix27,,2,5,1 ! unsymmetric [C] with printout

! define stiffness matrix

KXX = 8.e+7 $ KXY = -1.e7 ! $ sign allows several commands on

KYX = -6.e+7 $ KYY = 1.e+8 ! the same line

r,1, KXX,KXY $ rmore,-KXX,-KXY

rmore,KYX,KYY $ rmore,-KYX,-KYY

*do, ir, 1, 8

Rmore ! define zero values

*enddo

rmore,-KXX,-KXY $ rmore,KXX,KXY

rmore,-KYX,-KYY $ rmore,KYX,KYY

! define damping matrix

CXX = 8.e+3 $ CXY = -3.e+3

CYX = -3.e+3 $ CYY = 1.2e+4

r,2, CXX,CXY $ rmore,-CXX,-CXY

rmore,CYX,CYY $ rmore,-CYX,-CYY

*do, ir, 1, 8

Rmore ! define zero values

*enddo

rmore,-CXX,-CXY $ rmore,CXX,CXY

rmore,-CYX,-CYY $ rmore,CYX,CYY

MPC184是一种具有弹性刚度和阻尼特性的关节单元。使用TB命令将特征定义为6×6矩阵。

MPC184使用示例：

keyopt,2,4,1 ! no rotations

sectype,2,joint,gene

local,11,0,4,0,0,0,0,0 ! coordinate system forming the joint element

secjoin,,11

KYY = 1.e+8

CYY = 1.e+6

KZZ = 1.e+10

CZZ = 1.e+2

tb,join,2,,,stiff

tbdata,7,KYY

tbdata,12,KZZ

tb,join,2,,,damp

tbdata,7,CYY

tbdata,12,CZZ

以下建模提示和示例可帮助用户为转子动力学分析创建模型：

 添加固定部件

 将非轴对称零件转换为等效轴对称质量

 定义多个线轴

 使用组件模式合成（CMS）进行旋转零件

 使用转子质量摘要打印输出验证模型

模型的固定部分可以是外壳，固定支撑或法兰。要添加静止零件，首先要创建零件网格。由于旋转速度仅应用于结构的旋转部分，因此需要根据旋转部件的单元创建组件。

使用CMOMEGA命令创建旋转组件并应用组件旋转速度的示例输入如下：

! create the model

! create the rotating component

esel,,type,,1,2

cm,RotatingPart,elem

allsel

! apply rotational velocity to rotating component only

cmomega,RotatingPart,1000.

将非轴对称零件转换为等效轴对称质量如果模型由非轴对称零件组成，则可以使用以下过程将其转换为等效的轴公制质量。

• 首先使用VSEL命令选择非轴对称零件体积

• 输入VSUM命令以打印这些体的全局质量属性。

• 删除所有体。

• 在位于体积重心的节点上定义新的质量单元（MASS21）。实常数是计算的质量和转动惯量属性。近似这些特性以获得轴对称性。例如，如果旋转速度轴是沿X，那么Y和Z方向上的质量以及旋转惯性YY和ZZ是相等的。

• 使用CERIG命令定义质量单元节点与结构其余部分之间的刚性区域。

通过使用惯性释放计算，您可以获得更精确的质量，质心和惯性矩。

定义多个旋转零件

要定义多个旋转零件，首先要创建零件网格。由于每个零件具有不同的旋转速度，因此需要根据单元将每个零件定义为一个零件。

使用CMOMEGA命令创建两个旋转组件并应用组件旋转速度的示例输入如下：

! create the model

! create the first rotating component

esel,,type,,1,2

cm,RotatingPart1,elem

! create the second rotating component

esel,inve

cm,RotatingPart2,elem

allsel

! apply rotational velocities to rotating components

cmomega,RotatingPart1,1000.

cmomega,RotatingPart2,3000.

组件模式合成（CMS）程序可用于在转子动力学分析中对旋转部件进行建模。

以下是主要的建模步骤：

 生成Pass （创造超单元）

 使用Pass

 扩展Pass

使用CMS程序时，特定于旋转结构动力学的输出仅限于：

• 在CMS扩展通过之前和之后可用的旋转动画（ANHARM）

• Campbell图（PRCAMP和PLCAMP）仅在扩展通过之前可用，轨道（PRORB和PLORB）不可使用

在此步骤中，转子减少到两个CMS超单元。

以下示例输入说明了生成过程：

! Generation Pass (Creating the Superelement)

/filname,part

/solu

antype,substr

seopt,part,3,1

cmsopt,fix,40

cmomega,comp1,1000 ! Rotational velocity of component ‘comp1’ (previously defined)

is 1000rd/s about global X-Dir

coriolis,on,,,on ! Coriolis on, in a stationary reference frame

cmsel,s,comp1

cmsel,s,interface2

m,all,all

nsle

solve

allsel,all,all

save

Fini

可以使用OMEGA和CMOMEGA命令指定旋转超单元的旋转速度。在固定参考系（CORIOLIS，ON ,,, ON）中使用CORIOLIS命令包括Coriolis 效应。在生成过程中，仅可以使用陀螺仪阻尼。

不支持其他类型的阻尼，例如单元，阻尼和瑞利阻尼（DMPRAT，ALPHAD，BETAD，MP，ALPD，MP，BETD，TB，SDAMP ,,, ALPD和TB，SDAMP,,, BETD）。阻尼在使用pass步骤中定义。

SEOPT

SEOPT，Sename，SEMATR，SEPR，SESST，ExpMth，指定子结构分析选项。SeOcLvL

Sename

分配给超单元矩阵文件的名称（区分大小写，最多32个字符）。矩阵文件将命名为Sename.SUB。

此字段默认为Fname在/ FILNAME命令。

SEMATR

矩阵生成开关：

1-生成刚度（或电导率）矩阵（默认）

2-生成刚度和质量（或电导率和比热）

3-生成刚度，质量和阻尼矩阵

SESST

应力强化开关：

通过使用SE命令读取超单元矩阵来定义超单元，以构建完整模型并执行所需的分析。

以下示例输入说明了在使用过程中读取超单元矩阵以及模态分析过程：

! Use Pass

/filname,use

/prep7

et,1,matrix50

type,1

se,part

save

fini

! Perform Modal Analysis

/solu

antype,modal

modopt,QRDAMP,20,,,ON

mxpand,20,,,yes

solve

fini

在使用过程中，您可以使用DMPRAT，ALPHAD，BETAD，MP，ALPD和MP，BETD指定阻尼。如果存在非轴承和支撑结构等非旋转部件，则在使用过程中对其进行建模

CMOMEGA命令用于指定哪些部件正在旋转，哪些部件不旋转。

! Generation Pass

/filname,part

/solu

antype,substr

seopt,part,3,1

cmsopt,fix,Nmode

cmomega,comp1,1 ! Rotational velocity of ‘comp1’ (previously defined) is 1rd/s

about global X-Dir (definition of the direction only)

coriolis,on,,,on ! Coriolis on, in a stationary reference frame

cmsel,s,comp1

cmsel,s,interface2

m,all,all

nsle

solve

allsel,all,all

save

fini

! Use Pass

/filname,use

/prep7

!Superelement

et,1,matrix50

type,1

se,part

! Nonsuperelementsmp,

ex,1,2.0

e11

mp,dens,1,7800

mp,nuxy,1,0.3

et,2,188

type,2

secnum,2

sectype,2,beam,ctube

secdata,0.20,0.30,1,16

k,3,3,0,0

k,4,7,0,0

l,3,4

lesize,1,,,8

type,2

secnum,2

mat,1

lmesh,1

allsel,all,all

et,4,214 ! Creation of

symmetric Bearing

keyopt,4,2,1

keyopt,4,3,0

real,4

r,4,1.0e6,1.4e5,,,10,10

rmore,,,,

n,1000,5,0.22,0

type,4

real,4

e,node(5,0,0),1000

allsel,all

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,10

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,10

d,all,all,0

nsel,all

d,1000,all,0

allsel,all

cpintf,all

esel,s,type,,2

cm,comp2,elem ! Creation

of non-superelement

component

allsel,all,all

save

fini

在使用过程中，您可以使用DMPRAT，ALPHAD，BETAD，MP，ALPD和MP，BETD指定阻尼。如果存在非轴承和支撑结构等非旋转部件，则在使用过程中对其进行建模。CMOMEGA命令用于指定哪些部件正在旋转，哪些部件不旋转。

! Perform Modal Analysis

/solu

antype,modal

modopt,qrdamp,20,,,on

mxpand, 20,,,yes

cmomega,comp1,1000,0,0 ! Rotational velocity of ‘comp1’ is 1000 rd/s

about global X-Dir

cmomega,comp2,1000,0,0 ! Rotational velocity of ‘comp2’ is 1000 rd/s

about global X-Dir

coriolis,on,,,on

solve

fini

通常，应在生成过程中指定单位旋转速度矢量，然后在使用过程中指定真实旋转速度。必须在两者中激活CORIOLIS效应，在这种情况下生成和使用传递（CORIOLIS，ON ,,, ON）。在内部，来自生成pass的缩减陀螺仪矩阵与在使用过程中定义的旋转速度矢量的幅度成比例。该程序特别用于产生坎贝尔图，其中对不同的旋转速度进行模态分析。

! Generation Pass (Creating the

Superelement)

/filname,part

/solu

antype,substr

seopt,part,3,1

cmsopt,fix,40

cmomega,comp1,1.0 ! Component

‘comp1’ (defined previously) is rotating

about global X-Dir

coriolis,on,,,on ! Coriolis on, in a

stationary reference frame

cmsel,s,comp1

cmsel,s,interface2

m,all,all

nsle

solve

allsel,all,all

save

fini

!Use Pass

/filname,use

/prep7

et,1,matrix50

type,1

se,part

esel,s,type,,1

cm,rot1,elem

allsel,all,all

save

fini

!Perform Modal Analysis

/solu

antype,modal

modopt,qrdamp,20,,,ON

mxpand,20,,,yes

coriolis,on,,,on ! Coriolis on, in a

stationary reference frame

! First rotational velocity

cmomega,rot1,1000 !

Component ‘rot1’ is rotating at

1000rd/s about global X-Dir

(Scaling)

solve

! Second rotational velocity

cmomega,rot1,2000 !

Component ‘rot1’ is rotating at

2000rd/s about global X-Dir

(Scaling)

solve

fini

/post1

prcamp,,,,,rot1 ! Print Campbell

diagram information for

component ‘rot1’

Fini

如果在生成和使用过程中都指定了真实旋转速度，则由于陀螺矩阵的内部缩放，所得到的陀螺效应将基于旋转速度的平方。确保在生成过程中使用单位旋转速度以确保正确缩放。

使用由陀螺效应产生的节点速度和节点加速度（阻尼力，惯性力，动能等）计算和后处理数量，OUTRES命令DSUBres = ALL必须在使用过程的第一个加载步骤中发出。如果符合以下条件，则不会计算：

• 在使用过程中至少应用了一个超单元载荷矢量（SFE ,,,SELV）

• 使用通过分析是一种模态叠加方法（TRNOPT，MSUP和HROPT，MSUP）

可以使用CORIOLIS命令上的RotMass = ON激活的转子质量摘要打印输出来验证旋转部件的建模。它仅适用于线单元模型。本摘要包含每个旋转部件的以下信息：

• 节点数量

• 旋转方向

• 总结，包括节点的惯性属性的详细信息