轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)ansys仿真流程方法

工程中的回轉(zhuǎn)機(jī)械，如渦輪機(jī)、電機(jī)等，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)常由于轉(zhuǎn)軸的彈性轉(zhuǎn)子偏心而發(fā)生橫向彎曲振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速增至某個(gè)特定值時(shí)，振幅會(huì)突然加大，振動(dòng)異常激烈，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)這個(gè)特定值時(shí)，振幅又會(huì)很快減小。使轉(zhuǎn)子發(fā)生激烈振動(dòng)的特定轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。工程師要做的就是查找轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，從而將系統(tǒng)修改轉(zhuǎn)速或者添加一定的支撐，來(lái)避開(kāi)臨界轉(zhuǎn)速。

要獲取臨界轉(zhuǎn)速，那么ansys軟件就可以根據(jù)模型來(lái)計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速。理論狀態(tài)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸上的圓盤、兩側(cè)軸承以及不平衡的質(zhì)量，如圖所示。

那么如何進(jìn)行坎貝爾圖的計(jì)算和提取呢？在ANSYS軟件中有三種方法來(lái)計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，如下所示：

第一種為梁?jiǎn)卧椒ǎ⒁桓S線，不同的位置給定不同的半徑和質(zhì)量點(diǎn)來(lái)計(jì)算。

第二種為三維實(shí)體方法，建立完整的三維模型，模型是軸對(duì)稱模型，所以默認(rèn)的模型是完全的不偏心的，所以需要添加偏心的質(zhì)量點(diǎn)。

第三種為ANSYS workbench中新功能，概念模型，建立二維的截面模型來(lái)代替三維模型，計(jì)算量能夠顯著的減少，加快計(jì)算速度，但是結(jié)果并沒(méi)有差別。

本次流程以第三種方式來(lái)展示仿真分析的流程方法，基本操作過(guò)程三種近似相同。分析模塊是采用模態(tài)分析來(lái)進(jìn)行的。

1.模型的建立

首先要將三維模型進(jìn)行處理，將三維模型切割，提取中間的截面，如圖所示。

打開(kāi)workbench中的模態(tài)分析模塊，設(shè)置對(duì)稱選項(xiàng)，如下圖所示。默認(rèn)的模型不會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱的設(shè)置，需要選中model狀態(tài)下插入對(duì)稱、接觸、遠(yuǎn)端點(diǎn)等選項(xiàng).

設(shè)置好之后在對(duì)稱目錄下插入General Axisymmetric，該方法是ANSYS獨(dú)有的一種簡(jiǎn)化方法，可以使用二維平面表示三維物體，簡(jiǎn)化計(jì)算量.

表示二維軸對(duì)稱的操作方式的選項(xiàng)如下圖所示，設(shè)置坐標(biāo)和對(duì)稱軸及平面數(shù)量。

設(shè)置得到的概念模型結(jié)果如下圖所示，可以看到有三個(gè)平面，相隔120°，劃分網(wǎng)格后的顯示結(jié)果如下圖所示，呈現(xiàn)三棱柱的效果。在軸對(duì)稱的選項(xiàng)中平面數(shù)3只能添加3~12之間的數(shù)值，添加12則效果近似12邊形的圓柱，計(jì)算結(jié)果沒(méi)有大的區(qū)別，只是顯示精度的不同，但是計(jì)算量會(huì)增大，所以一般3個(gè)即可。

2.遠(yuǎn)端點(diǎn)的建立

在模型中進(jìn)行遠(yuǎn)端點(diǎn)的添加，其目的是將質(zhì)量點(diǎn)和軸承根據(jù)遠(yuǎn)端點(diǎn)來(lái)進(jìn)行添加，方便后期的模型選擇操作，沒(méi)有這個(gè)操作也可以，后期的軸承和質(zhì)量點(diǎn)選擇相同的位置即可。

添加遠(yuǎn)端點(diǎn)主要有以下4個(gè)位置，如圖所示

第一個(gè)點(diǎn)為左側(cè)中間軸線上的質(zhì)量，表示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的葉輪或齒輪等質(zhì)量大的地方。

第二個(gè)和第三個(gè)點(diǎn)為軸承的支撐位置，設(shè)置remote point.

第四個(gè)位置和左側(cè)第一個(gè)位置相同，只是偏移了半徑方向很小的距離，表示不平衡的位置質(zhì)量。

3.軸承添加

設(shè)置好遠(yuǎn)端點(diǎn)之后，進(jìn)行支撐軸承的添加，在接觸中右鍵插入軸承Bearing。在以前的版本中在沒(méi)有軸承支撐的情況下采用三個(gè)方向的彈簧設(shè)置就行，workbench中的彈簧方便了軸承剛度的設(shè)置，在新的workbench中可以采用bearing添加，只要設(shè)置剛度即可，設(shè)置選項(xiàng)如下所示。主要為轉(zhuǎn)動(dòng)平面Y-Z，各個(gè)方向的彈簧剛度。彈簧剛度表水平方向，豎直方向和夾角方向，如圖所示.

右側(cè)軸承的設(shè)置方法同上，結(jié)果如下圖所示，會(huì)形成一個(gè)圓環(huán)表示。

4.添加質(zhì)量點(diǎn)

下面是質(zhì)量點(diǎn)的添加，在第一個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)上添加point mass，表示齒輪，轉(zhuǎn)盤等大質(zhì)量的物體，如圖所示。同時(shí)需要進(jìn)行慣性矩的添加，可以在ANSYS中三維實(shí)體模型設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)系后來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)，如下圖所示。

 

5.分析設(shè)置

支撐設(shè)置好之后進(jìn)行邊界條件的添加，主要是模態(tài)分析的設(shè)置，添加12階模態(tài).默認(rèn)的分析類型表示為沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的模態(tài)分析結(jié)果，不同的頻率對(duì)應(yīng)不同的振型.

在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中的分析設(shè)置中需要打開(kāi)克利奧效應(yīng)，表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的概念。添加坎貝爾圖的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。需要添加相應(yīng)的阻尼。在坎貝爾設(shè)置中添加兩三個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，添加轉(zhuǎn)動(dòng)速度如圖所示。

 

定義軸承的固定的位置，將第二個(gè)和第三個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)進(jìn)行固定約束，添加遠(yuǎn)端位移約束，釋放軸向移動(dòng)，固定橫向移動(dòng)。

6.結(jié)果查看

計(jì)算后可以查看結(jié)果。結(jié)果查看方法同普通的模態(tài)分析是相同的，可以得到不同模態(tài)下的振型效果，如圖所示。

在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中添加坎貝爾圖即可查看，可以得到坎貝爾圖，如下圖所示。圖中橫坐標(biāo)表示設(shè)置中添加的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，縱坐標(biāo)表示頻率，中間的近似橫線線條為不同轉(zhuǎn)速下的共振頻率值。

從左下角出發(fā)的斜線表示倍頻，默認(rèn)為一倍頻的直線，斜線和橫線相交的點(diǎn)為共振點(diǎn)，獲取其橫坐標(biāo)的轉(zhuǎn)速，即為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)避開(kāi)的共振轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的在下方的表格中列出了不同階數(shù)的臨界速度，可以調(diào)整單位改為rad/s，RPM等。這就是分析的目的獲取需要的臨界轉(zhuǎn)速。

7.結(jié)果討論

針對(duì)不同的分析得到了如下一些結(jié)果

7.1默認(rèn)模態(tài)分析

默認(rèn)的模態(tài)分析，沒(méi)有添加科里奧效應(yīng)，沒(méi)有添加轉(zhuǎn)速，表示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的靜止模態(tài)振型，結(jié)果如下。

振型為上下方向或者左右方向的線性彈性變形。

7.2添加轉(zhuǎn)速的模態(tài)分析

在默認(rèn)的模態(tài)分析設(shè)置基礎(chǔ)上，添加轉(zhuǎn)速rotational velocity ，設(shè)置為50000rpm，同時(shí)打開(kāi)科里奧效應(yīng)，但是不打開(kāi)坎貝爾圖設(shè)置，計(jì)算結(jié)果如下所示。

計(jì)算結(jié)果顯示模態(tài)分析的數(shù)值頻率發(fā)生了變化，表示轉(zhuǎn)速對(duì)頻率產(chǎn)生了影響，同時(shí)動(dòng)畫效果可以看到振型的變化不再是上下方向的單一運(yùn)動(dòng)，而是圓周方向的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。

7.3添加轉(zhuǎn)速和坎貝爾圖的模態(tài)分析

在默認(rèn)的模態(tài)分析設(shè)置基礎(chǔ)上，添加轉(zhuǎn)速rotational velocity ，設(shè)置為50000rpm，同時(shí)打開(kāi)科里奧效應(yīng)，打開(kāi)坎貝爾圖設(shè)置，添加三個(gè)點(diǎn)，添加計(jì)算結(jié)果如下所示。

計(jì)算結(jié)果為三個(gè)轉(zhuǎn)速下的模態(tài)結(jié)果，分別表示轉(zhuǎn)速為0、50000rmp、100000rpm轉(zhuǎn)速下的對(duì)應(yīng)模態(tài)結(jié)果。對(duì)應(yīng)的坎貝爾圖可以將模態(tài)進(jìn)行線性化表示。

結(jié)果可以看到對(duì)應(yīng)的0轉(zhuǎn)速的時(shí)候的一階頻率為189.29Hz，結(jié)果和默認(rèn)的無(wú)轉(zhuǎn)速的結(jié)果相同，相應(yīng)的50000rmp對(duì)應(yīng)的一階頻率為168.47Hz和上面有轉(zhuǎn)速分析的結(jié)果相同。

坎貝爾圖可以看到轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)速時(shí)其模態(tài)分析的共振頻率是不同的，但是，差別不大，近似橫線。所以添加兩三個(gè)點(diǎn)就看得到這條直線。

在簡(jiǎn)單計(jì)算情況下，靜態(tài)的第一階頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是臨界轉(zhuǎn)速，而克利奧效應(yīng)能夠比較準(zhǔn)確的計(jì)算其在一定轉(zhuǎn)速下的模態(tài)頻率。通過(guò)坎貝爾圖可以可到臨界轉(zhuǎn)速。

例如：在0轉(zhuǎn)速的時(shí)候，頻率為189.29Hz，對(duì)應(yīng)的一階轉(zhuǎn)速為189.29*60=11357rmp，當(dāng)50000rmp對(duì)應(yīng)的一階頻率下的轉(zhuǎn)速為168.47*60=10108rmp，所以一階的臨界轉(zhuǎn)速在10108~11357rmp之間。因?yàn)閺撵o止到高速轉(zhuǎn)動(dòng)（0~50000rmp），其一階頻率一直在變

，  x=11080rmp

計(jì)算結(jié)果近似等于坎貝爾圖計(jì)算的11081rmp

7.5三維與二維結(jié)果對(duì)比

三維和二維方法的計(jì)算差別小于1%，如圖所示，所以采用2維方式即可

Mode 2-D Axisymmetric Model (Hz) 3-D Solid Model (Hz)

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