Tribo-X inside Ansys是滑動軸承分析專用工具，具有滑動軸承剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)計算的能力。

 

滑動軸承剛度和阻尼項取決于轉(zhuǎn)速或軸偏心位置，反映了不同潤滑操作條件下的動態(tài)特性，獲得的跟隨轉(zhuǎn)子角速度變化而變化的滑動軸承剛度和阻尼系數(shù)能夠無縫傳遞到轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析模塊的軸承工具中，進行相關(guān)仿真分析使用。

 

一、Tribo-X inside ANSYS滑動軸承分析系統(tǒng)搭建

 

Tribo-X inside ANSYS軟件分析環(huán)境基于ANSYS Mechanical進行軸承分析的預(yù)處理和后處理，軟件安裝以后在ANSYS Mechanical中新增了一個名為Tribo-X inside ANSYS的工具欄，如圖1所示。

 

圖1

 

Tribo-X inside ANSYS分析的計算條件分為基礎(chǔ)邊界條件定義和高級分析求解邊界條件兩類。任何基于Tribo-X inside ANSYS工具的分析內(nèi)容都首先建立在基本邊界的定義基礎(chǔ)上，如圖2所示。而滑動軸承剛度和阻尼系數(shù)的計算和傳遞要通過高級分析求解邊界條件進行定義，往往需要更高級的license進行支持。下面對Tribo-X的基礎(chǔ)邊界和高級邊界條件內(nèi)容進行簡要說明。

 

圖2

 

基礎(chǔ)邊界條件定義簡要說明：

 

Pressure Supply：壓力邊界條件，用來定義潤滑油的供應(yīng)區(qū)域。該區(qū)域可以在軸承或軸的表面上定義。當(dāng)壓力邊界條件選擇多個面時，就可以定義多個潤滑油的供應(yīng)。供油幾何形狀可以是任意的，壓力值必須為正。因此，任何類型的潤滑供應(yīng)都是可以定義的。

Bearing Geometry：如圖3所示，它用于確定液體滑動軸承的位置，是確定軸承與軸之間潤滑間隙的基礎(chǔ)。軸承和軸的輪廓被自動識別推導(dǎo)軸承和軸的主要幾何參數(shù)，幾何識別是基于兩個圓柱參考坐標系進行的。可以通過設(shè)置相對偏心率和角度來確定軸的具體偏心位置，給定的值可以被用作計算平衡位置的初始值也可以直接作為平衡位置進行定義。

 

圖3

 

Lubricant Properties：用來定義潤滑劑的材料屬性。

Operating Conditions：如圖4所示，操作條件是用來定義滑動軸承負荷，速度或軸未對準條件。軸的未對準引入可以考慮CAD建模、邊界條件直接定義以及變形網(wǎng)格導(dǎo)入幾種方式。

 

圖4

 

高級邊界條件定義簡要說明：

 

Stiffness Data for EHD Analysis邊界條件可以考慮軸承剛度的特性，軸承的彈性變形會影響產(chǎn)生的潤滑油間隙高度。

Mixed Lubrication邊界條件用于考慮滑動軸承處于混合摩擦狀態(tài)下的性能。

Bearing Dynamics和Import Bearing Coefficients該兩個邊界條件用于進行軸承剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的計算和傳遞。

 

二、Tribo-X滑動軸承剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)的計算與傳遞過程

 

Tribo-X滑動軸承系數(shù)計算與傳遞一般分為兩個步驟：

 

1、通過在Hydrodynamic Bearing模塊中建立滑動軸承基本分析流程，并添加高級選項邊界條件“Bearing Dynamics”進行設(shè)置。執(zhí)行求解計算即可輸出剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，如圖5所示。

 

圖5

 

2、建立動力學(xué)計算模塊，例如模態(tài)分析模塊或者諧響應(yīng)分析模塊等，添加高級選項邊界條件“Import Bearing Coefficients”進行設(shè)置，將源分析項設(shè)置指向為Hydrodynamic Bearing模塊，并將目標軸承設(shè)置為連接組中的軸承工具，運行求解“Import Bearing Coefficients”即將滑動軸承系數(shù)傳遞輸入至軸承工具中，如圖6所示。

 

至此完成Tribo-X滑動軸承剛度和阻尼系數(shù)的計算，完成對動力學(xué)模塊軸承工具參數(shù)的賦予。軸承單元的選擇為Combine214單元，Combine214元件在兩個垂直方向以及交叉項有剛度和/或阻尼特性，該單元具有基于轉(zhuǎn)速變化進行定義不同的剛度和阻尼特性。

 

圖6

 

三、轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析計算簡要舉例

 

轉(zhuǎn)子動力學(xué)一般由旋轉(zhuǎn)軸、軸承和轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，如圖7所示。轉(zhuǎn)子動力學(xué)是對旋轉(zhuǎn)機械的研究，在整個現(xiàn)代工業(yè)界中起著非常重要的作用，能夠進行確定臨界速度的計算、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和系統(tǒng)穩(wěn)定性預(yù)測、不平衡響應(yīng)計算以及瞬態(tài)啟動和停止的計算。

 

在ANSYS Mechanical進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析中，能夠直接利用三維CAD裝配體模型進行分析，也可以采用基于梁模型單元（3D Beam單元和Mass 21質(zhì)量單元）簡化近似代替三維CAD模型進行分析。

 

圖7

 

如圖8所示是一個3質(zhì)量單元與梁單元建模的轉(zhuǎn)子動力學(xué)模態(tài)分析流程，基于前面方法已經(jīng)完成基于Tribo-X的滑動軸承剛度與阻尼系數(shù)的計算與數(shù)據(jù)的傳遞過程。

 

圖8

 

模態(tài)求解分析設(shè)置如圖9所示，一般如下：

 

選項控制用于設(shè)置提取模態(tài)數(shù)量并設(shè)置搜索的頻率范圍；

求解控制用于設(shè)置阻尼與選擇阻尼求解類型；

轉(zhuǎn)子動力學(xué)控制用于考慮陀螺效應(yīng)設(shè)置CORIOLIS的激活，進行坎貝爾圖繪制顯示設(shè)置以及設(shè)置“Number of Points”定義以表格形式設(shè)置的轉(zhuǎn)動速度點的個數(shù)；

阻尼控制用于定義阻尼樣式和數(shù)據(jù)。

 

圖9

 

邊界條件設(shè)置和轉(zhuǎn)速的設(shè)置：

 

一般應(yīng)該考慮軸向位移的約束和軸向旋轉(zhuǎn)的約束，軸向位移的約束用于控制軸向模態(tài)，軸向旋轉(zhuǎn)的約束用于控制扭轉(zhuǎn)模態(tài)。同時施加考慮轉(zhuǎn)子特性對應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，如圖10所示。

 

圖10

 

Campell圖和軌跡圖后處理：

 

如圖11，Campbell圖結(jié)果僅在模態(tài)分析中有效，由于陀螺效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)組件的固有頻率隨旋轉(zhuǎn)速度而變化，坎貝爾圖用于繪制不同旋轉(zhuǎn)速度下旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)部件頻率不斷變化的動態(tài)特性，其中X軸代表轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)動速度，Y軸表示固有頻率。圖中起始于原點的斜線是激勵線，斜率是固有頻率和轉(zhuǎn)動速度之比，默認比率為1。

 

該線相交于頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系的曲線的位置進行了三角形標記，該三角形標記的轉(zhuǎn)速即為臨界速度，在臨界速度下結(jié)構(gòu)將要進行共振。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以其共振頻率振動時，旋轉(zhuǎn)軸上的點將沿一個軌跡運動，稱為渦動，圖中BW和FW代表反向渦動和正向渦動，當(dāng)轉(zhuǎn)子以旋轉(zhuǎn)速度Ω上自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)方向與渦動方向相反稱為反向渦動，如圖12就是一個反向渦動。

 

當(dāng)轉(zhuǎn)子以旋轉(zhuǎn)速度Ω上自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)方向與渦動方向相同，稱為正向渦動。此外，軌跡圖如圖12所示，其他關(guān)于模態(tài)分析后處理相關(guān)內(nèi)容不再做介紹。

 

圖12