概述 | 转子动力学分析627
发表时间：2024-06-28 13:57来源：北京正脉科工科技有限公司 一、转子动力学简介 转子动力学是轴对称旋转结构中振动行为的研究。诸如发动机，电动机，磁盘驱动器和涡轮机之类的设备都具有可以分析的特征惯性效应，以改善设计并降低故障的可能性。在较高的旋转速度下，例如在燃气涡轮发动机中，必须始终如一地表示旋转部件的惯性效应，以便准确地预测转子的行为。 惯性效应的一个重要部分是振动转子在旋转时由进动运动引入的陀螺力矩。随着旋转速度的增加，作用在转子上的陀螺力矩变得非常重要。在设计水平上不考虑这些影响会导致轴承和/或支撑结构损坏。考虑到轴承刚度和支撑结构的弹性刚度，然后了解所产生的阻尼特性是提高振动转子稳定性的重要因素。 二、工业和旋转机械 转子动力学是研究旋转机械的学科，在现代工业界有着十分重要的作用。 • 旋转机械在许多应用中使用，如： –涡轮机械 –发电站 –机床 –汽车 –家用机器 –航空应用 –船舶推进 –医疗设备 –计算机设备
三、为什么进行转子动力学研究 需要更轻、更强大和更高效的机器 例如，更有效地使用高强度材料会导 致机器更顺从、更容易振动，而提高许多机器的运行速度的趋势会提高生产率和成本，但会加剧转子动力学问题。
• 航空发动机，涡轮机，航天器等应用中的机械故障会造成巨大的维修费用，更重要的可能会危及人的生命。 • 政府和行业将大量资源投入到转子动力学研究中，以便在机器投入使用之前计算“安全”工作范围，以及检测即将发生故障的方法。 • 转子- 定子间隙非常小 • 弹性轴承支撑- 转子不稳定 • 找到临界速度 • 转子旋转和系统稳定性预测 • 不平衡响应计算 • 瞬时启动和停止 四、转子动力学独特特征 • 当转子旋转时，会产生横向力和力矩。 - 这些是由于加工和装配精度的限制，始终存在不平衡力和力矩 - 这些力和力矩以与转速相同的频率产生振动 • 陀螺力矩也作用于旋转的转子，并使其固有频率随转速变化 • 某些类型轴承的刚度和阻尼特性随转子速度而变化：这些变化也会影响固有频率 • 并非所有转子都完全对称 - 当非对称转子旋转时，其刚度在固定框架中以旋转速度周期性地变化并且可能导致不稳定 • 与固定结构相比，旋转机器的阻尼可能非常高，并且可能导致不稳定 旋转零件分析 • 转子动力学是旋转机器的动力学统称，可以分成装配的子组： - 旋转轴 - 轴承，密封件，联轴器 - 代表叶轮的磁盘 • 传统上使用梁模型对旋转零件进行分析，梁模型是3D CAD模型的非常简单的近似 • 更好/更容易直接在组件，子组件，装配体的CAD模型上进行网格划分和整个系统的分析
典型的转子轴承模型 • 与梁建模过程相比，自动网格划分功能可以在很短的时间内准确地完成网格划分 • 在实体转子动力学中自动处理梁模型的缺点 • 但是，CPU时间，RAM和硬盘需求大幅增加 • 随着计算机的最新进展，这些限制逐渐减少，从而使固体转子动力学更具吸引力
悬臂实体单元FEA模型 五、一般动力学方程 一般动力学方程：
其中[M]，[C]和[K]是质量，阻尼和刚度矩阵，{f}是外力矢量 在转子动力学中，该等式得到了陀螺效应[G]的额外响应，并且旋转导致阻尼效应[B] ：
陀螺矩阵[G]取决于旋转速度（或者如果结构的零件具有不同的旋转速度），并且是旋转动力学分析的主要贡献者。该矩阵对于转子动力学分析是独特的，并且由特定命令和单元专门解决。 旋转阻尼矩阵[B]也取决于旋转速度。它改变了结构的表观刚度，并且可以产生不稳定的运动。 六、理论- 转子动力学 一般的转子动力学方程可以写成（在固定的参考系中）：
其中 [M]，[C]和[K]是标准质量，阻尼和刚度矩阵{f}是外力矢量 转子动力学分析独有的术语是： [G]是偏斜对称陀螺矩阵，它取决于旋转速度，捕获耦合旋转自由度垂直于旋转轴的陀螺效应 [B]是旋转阻尼矩阵，它也取决于旋转速度，改变结构的表观刚度并且可以产生不稳定的运动 七、参考系 • 可以在两个不同的参考系中执行转子动力学仿真： - 固定参考系： • 适用于旋转结构（转子）和固定支撑结构 • 要建模的结构的旋转部分必须是轴对称的 - 非轴对称部分可以转换为等效轴对称质量 - 旋转参考系： • 结构没有固定部件，整个结构都在旋转 • 仅考虑科里奥利力
八、有限元分析法在旋转结构建模中的优势 旋转结构通常通过集中质量方法建模。该方法使用质心来计算旋转对附着或近端零件的影响。这种方法的一个主要限制是质量和惯性的位置和分布的不精确近似，以及由此导致的零件本身内力和应力计算的不准确性。 ANSYS中使用的有限元（FE）方法为转子动力系统建模提供了一种极具吸引力的方法。虽然与标准分析相比可能需要更多的计算资源，但它具有以下优点： • 精确建模质量和惯性 • 支持陀螺效果的各种单元 • 在实体单元中进行网格划分时使用CAD几何体 • 实体单元网格能够考虑转盘的弹性行为以及转盘和轴振动之间可能的耦合 • 能够将固定部件包含在整个模型中或作为子结构。 九、转子动力学分析过程概述
十、适用单元 • 作为旋转结构一部分的单元必须考虑由旋转角速度引起的陀螺效应 • CORIOLIS命令（MAPDL命令）激活以下结构单元中的陀螺阻尼矩阵：
十一、适用的特征值求解器
十二、轴承单元 轴承元件的选择取决于： • 形状（1D，2D，3D） • 交叉项 • 非线性
十三、线性扰动分析 线性扰动分析使得能够使用从先前分析获得的切线刚度矩阵来运行模态分析 • 静态分析（线性或非线性） • 全瞬态分析（线性或非线性）
一般的转子动力学预应力模态分析方法 十四、ANSYS中的分析过程– 前处理 • 构建/导入模型 - 在Design Modeler中导入/构建几何 - 在此处显示的示例中，初始3D几何体被切片以进行2D轴对称建模 - 定义轴承位置
• 使用workbench网格划分工具对模型进行网格划分 - 示例轴对称单元
- 完整模型的对称网格示例分为四个象限
十五、ANSYS中的分析过程– 求解 • 定义旋转速度 • 考虑陀螺效应：CORIOLIS = ON命令 • 求解模型： - 可以在ANSYS中执行以下类型的分析 • 模态分析： - 执行多种模态分析，您可以查看稳定性并从Campbell图中获得临界速度 • 谐波分析： - 允许您计算对同步（例如，不平衡）或异步激励的响应 • 瞬态分析： - 允许您研究瞬态负载下的结构响应（例如，1G冲击）或分析旋转阀芯和相关组件的启动或停止效果 下一篇转子动力学的建模和分析
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