轉(zhuǎn)子動力學(xué)是什么

轉(zhuǎn)子動力學(xué)是研究所有與旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子及其部件和結(jié)構(gòu)有關(guān)的動力學(xué)特性的學(xué)科，同時(shí)與流體力學(xué)中軸承與密封的潤滑密切相關(guān)，有著極強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，它廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、水輪機(jī)、渦輪泵、增壓器、柴油機(jī)、泵、電機(jī)等各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域。

研究范圍包括振動、動態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性、動平衡、軸承特性、密封特性、強(qiáng)度、疲勞、可靠性、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和控制等方面，尤其是研究接近或超過臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的各種動力學(xué)問題。

DyRoBeS軟件中某渦輪增壓器模型

首先看一下轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的一些基本概念。

1. 振動形式，按轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的輸入，即振動原因可分為：

強(qiáng)迫振動

系統(tǒng)受外界持續(xù)激擾作用下所產(chǎn)生的振動，比如轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的周期性的激振力下的轉(zhuǎn)子振動。

特點(diǎn)：振動的頻率與激振頻率相關(guān)，一般由不平衡量引起的振動為1X振動，即振動頻率與轉(zhuǎn)速頻率一致。

DyRoBeS軟件中某轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動計(jì)算結(jié)果

自激振動

由系統(tǒng)自身的交叉耦合剛度引起的振動形式，當(dāng)有一個(gè)初始振動，不需要外界向振動系統(tǒng)輸送能量，振動即能保持下去。這種振動與外界激勵無關(guān)，完全是自己激勵自己，故稱為自激振動。比如軸瓦自激振動（半速渦動，油膜振蕩），大容量汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子上的間隙自激振動。

特點(diǎn)：振動的頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而與其自然頻率相關(guān)。

DyRoBeS軟件中某轉(zhuǎn)子自激振動計(jì)算結(jié)果

2. 按轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)的特性可分為：

線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

通過線性化處理系統(tǒng)，包括軸承的剛度與阻尼等，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，能用常系數(shù)線性微分方程描述的振動。

非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

系數(shù)的阻尼力或彈性恢復(fù)力具有非線性性質(zhì)，只能用非線性微分方程來描述。比如，所有的軸承作用力均為非線性力，嚴(yán)格來講，與滑動軸承油膜力相關(guān)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題均為非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)；還有裂紋轉(zhuǎn)子的動力學(xué)分析等也屬于非線性領(lǐng)域。

3. 按振動位移的特征可分為：

橫向振動

轉(zhuǎn)子只作垂直軸線方向的振動。

扭轉(zhuǎn)振動

轉(zhuǎn)子繞其縱軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的振動。

縱向振動

轉(zhuǎn)子只作沿軸線方向的振動。

從哪方面入手學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)子動力學(xué)？

這么多的分類，我們該怎么學(xué)習(xí)和操作呢？

實(shí)際上，采用線性化處理的方法，可以處理大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程領(lǐng)域遇到的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題，給出令人滿意的解釋。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子上作用著的所有力大部分是線性化或者可以線性化的，例如轉(zhuǎn)子動力學(xué)中對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究，一般采用8個(gè)線性化的剛度與阻尼特性系數(shù)的油膜力模型，就可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，可以滿足在工程領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。

因此，作為廣大從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子動力學(xué)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員以及初學(xué)者而言，可以將關(guān)注點(diǎn)放在線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)上。

小編并沒有否定非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)的意義，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中如果有非線性激勵源的存在，出現(xiàn)線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)不太好解釋的現(xiàn)象，比如轉(zhuǎn)子裂紋等，那就需要進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析。需要說明的是，對線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)知識體系建立的越深入、掌握的越全面，后續(xù)進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析時(shí)上手才會更容易，認(rèn)識才會更清晰，二者并不矛盾，主要看大家各自階段的需求。

在轉(zhuǎn)子橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動以及軸向振動三種振動形式中，橫向振動是最為常見的振動形式。可以先從線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)的橫向振動入手做起。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)有啥區(qū)別？

小編曾發(fā)現(xiàn)有些從業(yè)者對轉(zhuǎn)子動力學(xué)的方程概念不清，經(jīng)常與結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程式混為一談，我認(rèn)為這兩者有必要專門進(jìn)行區(qū)分。

從定義上

結(jié)構(gòu)動力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)分支，著重研究結(jié)構(gòu)對于動載荷的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力等的時(shí)間歷程，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。比如，風(fēng)載荷作用下大型橋梁、高層結(jié)構(gòu)的振動問題；車輛行進(jìn)過程中由于路面凹凸不平引起的車輛振動；波浪載荷作用下輪船的動力反應(yīng)或者海上鉆井平臺的動力反應(yīng)。

而轉(zhuǎn)子動力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，研究對象為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，研究其過各階臨界轉(zhuǎn)速及其工作轉(zhuǎn)速下的動力學(xué)特性等問題。比如，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)建模及分析計(jì)算方法，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，振型，不平衡響應(yīng)，支承轉(zhuǎn)子的各種軸承的動力學(xué)特性，轉(zhuǎn)子應(yīng)變能，轉(zhuǎn)子動平衡，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，密封動力學(xué)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障機(jī)理與診斷方法，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動、分叉與混沌等問題。

簡言之，就定義而言，兩者的主要區(qū)別在于：結(jié)構(gòu)動力學(xué)側(cè)重于研究“不轉(zhuǎn)”的結(jié)構(gòu)件在某種載荷下的動力學(xué)反應(yīng)；轉(zhuǎn)子動力學(xué)主要研究“轉(zhuǎn)動”的旋轉(zhuǎn)機(jī)械工程領(lǐng)域的各種動力學(xué)問題。

從基本動力學(xué)方程式上

兩者的區(qū)別也較為明顯。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本方程式如下：

其中，[M]、[C]和[K]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{U}為廣義位移向量矩陣，是時(shí)間t的函數(shù)，其上的點(diǎn)表示對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{f}為外載荷向量矩陣。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)基本方程式如下：

其中，[M]、[C]和[K]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{U}為廣義位移向量矩陣，是時(shí)間t的函數(shù)，其上的點(diǎn)表示對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{f}為外載荷向量矩陣；而[G]為陀螺矩陣，為實(shí)反對稱矩陣，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量以及轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)，是轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的主要貢獻(xiàn)者；[K]為剛度矩陣對稱部分；[B]為剛度矩陣非對稱部分（也有稱作交叉耦合剛度矩陣），與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，是進(jìn)行轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。一般來講，質(zhì)量矩陣[M]，陀螺矩陣[G]，多與轉(zhuǎn)子本身有關(guān)；而剛度矩陣[K]、阻尼矩陣[C]、交叉耦合剛度矩陣[B]，則多與軸承與密封有關(guān)。

可以看出，就動力學(xué)方程式而言，兩者既有相似，又有區(qū)別。轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程式較結(jié)構(gòu)動力學(xué)復(fù)雜，主要在于陀螺矩陣與交叉耦合剛度矩陣，而這正是與旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子密切相關(guān)的特色。轉(zhuǎn)子動力學(xué)的很多現(xiàn)象和問題都與這些矩陣有關(guān)。