轉子是各種轉動機械中轉動部件的力學通稱。轉子動力學是一門應用性學科，它研究轉子的各種動力學特性和動力學現象，是轉動機械動力學問題的核心內容。主要研究轉子-支承系統在旋轉狀態下的振動、平衡和穩定性的問題，尤其是研究接近或超過臨界轉速運轉狀態下轉子的橫向振動問題。轉子是渦輪機、電機等旋轉式機械中的主要旋轉部件。

轉子動力學的研究內容主要有以下5個：

• 臨界轉速

• 通過臨界轉速的狀態

• 動力響應

• 動平衡

• 轉子穩定性

常用術語：

陀螺效應——重力對高速旋轉中的陀螺產生的對支撐點的力矩不會使其發生傾倒，而發生小角度的進動。此即陀螺效應。一言以蔽之，就是物體轉動時的離心力會使自身保持平衡，重力的作用與離心力相比已變得不值一提了。大家如果玩過陀螺就會知道，陀螺在地上旋轉時軸會不斷地扭動，這就是進動。 簡單來說，陀螺效應就是旋轉的物體有保持其旋轉方向（旋轉軸的方向）的慣性。

渦動——轉子正常的旋轉也包含了渦動的概念。例如在不平衡力矩作用下，轉軸發生撓曲變形，轉軸一方面繞其自身軸線自轉，另一方面繞靜平衡位置公轉，此時轉軸的運動實際上是兩種運動的合成。一種是轉軸繞其軸線的定軸轉動，轉動角速度就是旋轉速度w；另一種則是變形的軸線繞其靜平衡位置的空間回轉，回轉角速度仍然是w，后一種的回轉運動就是渦動。

臨界轉速——轉動系統中轉子各微段的質心不可能嚴格處于回轉軸上，因此，當轉子轉動時，會出現橫向干擾，在某些轉速下還會引起系統強烈振動，出現這種情況時的轉速就是臨界轉速。臨界轉速和轉子不旋轉時橫向振動的固有頻率相同，也就是說，臨界轉速與轉子的彈性和質量分布等因素有關。對于具有有限個集中質量的離散轉動系統，臨界轉速的數目等于集中質量的個數；對于質量連續分布的彈性轉動系統，臨界轉速有無窮多個。了解臨界轉速的目的在于設法讓壓縮機的工作轉速避開臨界轉速，以免發生共振。通常，離心壓縮機軸的額定工作轉速n或者低于轉子的一階臨界轉速，n1，或者介于一階臨界轉速n1與二階臨界轉速n2之間。前者稱作剛性軸，后者稱作柔性軸。

剛性軸要求： n ≤ 0.7n1;柔性軸要求： 1.3nl≤n≤0.7n2.

坎貝爾圖——就是監測點的振動幅值作為轉速和頻率的函數，將整個轉速范圍內轉子振動的全部分量的變化特征表示出來，在坎貝爾圖中橫坐標表示轉速，縱坐標表示頻率，其中強迫振動部分，即與轉速有關的頻率成分，呈現在以原點引出的射線上，振幅用圓圈來表示，圓圈直徑的大小表示信號幅值的大小，而自由振動部分則呈現在固定的頻率線上。

遠端位移——Remote displacement 可以進行位移和角度旋轉的同時加載；Remote displacement的作用原理為使用MPC接觸對進行控制,即在remote displacement作用位置上產生接觸單元,作用點上產生一個控制功能的節點,遠端位移通過約束節點,然后將約束的具體數值分配給作用位置上。

下面通過案例來一起學習一下ANSYS求解單盤轉子臨界轉速。

  

【案例】ANSYS求解單盤轉子臨界轉速

【第一步】建立幾何模型如下圖所示；模型的建立不再贅述，為了優化網格，將模型劃分為多個bady并放入同一個part里，同時將軸承位置的柱面切分出來；

【第二步】選中connections，右鍵選擇insert—bearing；

【第三步】軸承接觸設置;選擇軸承旋轉平面—定義軸承剛度—定義軸承阻尼—選擇軸承位置—定義為柔性行為；

【第四步】定義另一個軸承；

【第五步】網格劃分；由于已經切分好，所有bady可掃略，故采用sweep method劃分網格；圓盤可通過映射面提高網格規整性；

【第六步】施加遠端位移約束；故還需限制X向平動和繞X軸轉動；

同樣方法，施加另一個遠端位移約束；

【第七步】求解選項設置；考慮阻尼;

【第八步】定義轉動角速度；

【第九步】添加坎貝爾圖；

【第十步】求解；

 

【第十一步】查看坎貝爾圖，可以獲取各階臨界轉速；

【第十二步】查看各階振型；

通過以上分析，完成了單盤轉子轉子動力學初步分析并獲取了轉子各階臨界轉速及其振型。