旋轉部件的案例
基礎知識：旋轉機械中的階次分析
現代工業體系中，無論大到汽車、小到鐘表都涉及到旋轉機械，當這些旋轉機械處于運動狀態時，其本身或與之關聯的結構會產生一定幅值的噪聲信號，當轉速發生變化時，相應幅值也會隨之變化。一般從噪聲信號的測試結果看，噪聲信號所對應的頻率總是轉速（轉頻）的倍數，這種倍數關系即是階次。
什么是階次
階次主要針對旋轉機械，它代表的意義是旋轉部件每旋轉一圈某事件發生的次數。作為一個處于旋轉狀態的部件，它會產生一定幅值的響應（振動或/和噪聲）。隨著轉速的變化，這個響應也會發生變化。這個階次響應與轉速和轉頻之間有對應關系。確切地說階次是轉速或轉頻的倍數，對轉速保持不變。獨立于軸的實際轉速，是參考軸轉速的倍數或者分數。而結構的振動噪聲響應通常出現在轉速的倍數或者分數處，也就是這些階次處。
為什么要關心階次
旋轉部件產生的響應大多數情況下都與特定的階次（當然還有共振頻率產生的響應）相關，在特定的階次上會出現相應的響應。旋轉系統的每一個零部件（如曲軸、傳動齒輪、發動機活塞、輪胎等）對系統的振動噪聲Overall level 都有貢獻。階次分析幫助確定每一個獨立零部件對Overalllevel 有多大的貢獻。
同時，階次分析也能夠幫助工程師確定問題來源。
展開 Abaqus-部件的坐標系變換(平移或者旋轉) ￥3.99
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展開 離心式壓縮機仿真案例
一、多參坐標系描述
旋轉機械問題設計到旋轉的流體域（rotating flow domain），所有的旋轉部件（moving parts，fan blades，hub，shaft surfaces...）是以一定的角速度進行旋轉的，靜止壁面（stationary walls，shrouds-蓋板，duct walls-風道壁面）是關于旋轉軸的轉轉曲面（surfaces of revolution），所涉及到的整體域被作為一個單一旋轉參考坐標系（a single rotating frame of reference）；然而當其中一部分是關于不同旋轉軸進行轉轉，或關于相同的軸按照不同的速度旋轉或靜止壁面不屬于“surfaces of revolution”（如在離心式壓縮機輪子周圍的蝸殼），單一的旋轉坐標系統（single rotating coordinate system）已不能夠滿足使計算域固定（immobilize），為了預測穩態的流場，因此必須以“多參考坐標系”（multiple reference frames）的方式進行仿真；
離心式鼓風機（Centrifugal blower）2D模型：
使用MRF模型能夠分析與一個或多個旋轉部件相關的流動特性，在一個單一計算域內多旋轉參考坐標系能夠被使用，流場結果代表旋轉部件移動到某一位置時的瞬態結果（snapshot-抓拍of the transient flow field）；然而在很多案例中交界面能夠以這種方式進行選擇-在該位置的流場是獨立于移動部件的方向的，這就意味著如果交界面能夠被繪制（drawn）以具有很小或者沒有角度依賴性（little or no angular dependence），MRF模型能夠成為可靠的工具用于時均流場的求解（time-averaged flow fields
展開 基于Altair Inspire的旋轉梳齒式停車場關鍵部件結構優化設計
基于Altair Inspire的旋轉梳齒式停車場關鍵部件結構優化設計
袁威、晏一凡
摘要：個人設計的停車場結構有較多的冗余，本文針對停車場運輸機構的第三層進行結構優化。用inspire進行靜力學分析，判斷結構是否有輕量化空間。以設計空間的單元相對密度為設計變量、以剛度最大化為設計目標；以厚度為約束條件，建立拓撲優化模型。考慮擠出和非擠出兩種工藝下的不同方案，對拓撲結果進行polyNURBS幾何重構，最后比較兩種方案的輕量化效果以及Von Mises應力、位移結果，選擇出最優的優化方案。結果表明：在保證強度條件下，模型的質量減輕了57.5%，為該停車場部件的設計與生產提供了新思路。
關鍵詞：停車場部件；拓撲優化；polyNURBS
1、 問題的提出：
團隊本科參加過大學生機械創新大賽，自行設計一款停車場，如圖a所示，這個停車場方案獲得了省二等獎。但在結構上出現了材料冗余、導致整個停車場部件很笨重。
特別是停車場運輸機構的第三層,如圖b與c所示，該機構是停車場運輸機構部件中承載要求較高的部件，但材料冗余現象非常嚴重。為此，團隊基于inspire進行第三層運輸機構的輕量化設計。
圖1 停車場構件基本信息
2、 原結構校核
因實際停車場體積較大，加工起來成本較高，所以我們設計的是按比例縮小后的模型。本文研究的停車場為提高運行安全性，增加結構剛度，整個停車場所有結構均采用鋼Q235制造。
展開 
什么是相位？相位的物理意義
這是針對同一個振動體而言，在不同的振動體或不同部件之間的振動也有這樣的關系。兩個振動之間的差異體現的是時間差異或空間位置差異。
圖3 在圖2的基礎上時間移動1/4個周期
因此，相位是同一部件不同位置處的振動或不同部件之間的振動在時間先后關系上或空間位置關系上相互差異的標志。
對于旋轉部件而言，每旋轉一圈，表示轉過360°，因此，兩個振動之間的相位差就是轉過此角度的時間差。通過角度不僅表示空間、而且表示時間，這便是相位的奧妙之處。
02
—
絕對相位
對于旋轉機械，經常利用旋轉部件上已有的鍵槽、凹孔或人為粘貼反光紙，同時安裝鍵相探頭來獲取旋轉部件的鍵相信號，探頭每經過這些位置，便觸發一個脈沖信號（與轉速測量類似），如圖4所示。脈沖信號是確定旋轉部件上各測點各個振動頻率（如1頻、2倍頻、0.5倍頻…）相位的基準，脈沖頻率與旋轉部件的旋轉頻率完全同步，通過此鍵相信號來確定旋轉部件在時間與空間上的位置。
圖4 鍵相信號
我們把從鍵相器脈沖信號觸發到某個特定頻振動信號（如1頻、2倍頻、0.5倍頻…）第一個正峰值之間的角度，稱為絕對相位。絕對相位是具體測得的相位，習慣上簡稱相位。說“某測點、某頻率的相位為某某度”指的就是絕對相位，也就是相對于軸上固定標志通過鍵相探頭的那一時刻及位置，此頻率的最大振動與該測振探頭之間的角度。由鍵槽和鍵相探頭的位置及轉子旋轉方向，絕對相位還能給出最大振動具體的空間方位。
03
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相位差（相對相位）
相位差是兩個振動的相位之差。
展開 顯示/隱藏部件后，更新旋轉中心和改進適應屏幕效果！ Simright 2017.12.15更新
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展開 什么是動平衡？??
來源：模態空間
作者： 譚祥軍
對于旋轉機械而言，動平衡是一個經常會遇到的問題。如果不平衡量過大會導致更大的振動噪聲問題，同時降低了設備的使用壽命、效率轉化等。因此，旋轉機械的NVH分析必然包括平衡，有效地減少動平衡，可優化設備的NVH性能。
1 什么是不平衡
不平衡是由旋轉軸上的質量分布不均勻導致的。當質心位置與作用在轉子上的離心力的旋轉中心不一致時，就會出現不平衡。通常，不平衡分為靜不平衡、耦合不平衡和動不平衡。
為了平衡處于不平衡的旋轉軸（或其他旋轉部件），必須在旋轉部件特定位置上增加或移除一定的質量。因此，進行平衡處理包括在旋轉部件上確定相應的位置和質量，以便降低不平衡量。
展開 渦輪軸組件的詳細 3D CAD 模型 ￥8
該設計集成了通常在燃氣輪機和噴氣發動機中發現的關鍵旋轉部件，包括：
- 壓縮機級（前部）
- 中間軸和軸承接口
- 渦輪級（后部）
設計特點
多葉片軸流渦輪和壓縮機轉子：針對空氣動力學性能進行了優化。
軸聯軸器接口：設計用于適應扭矩傳遞和高速旋轉。
平衡的設計對稱性：用于結構完整性和運行期間的振動最小化。
適當的材料比例：適用于金屬或復合材料制造。
行業應用
航空航天：民用和軍用飛機噴氣發動機的核心部件。
發電：發電廠的燃氣渦輪發動機。
汽車研發：高性能汽車中的渦輪增壓器系統。
機械工程教育：渦輪機械概念的教材。
?? 使用的 CAD 軟件
使用 Autodesk Inventor 開發的，利用了：參數化 3D 建模
旋轉部件的裝配約束用于
組件可視化的高分辨率渲染
Simple jet engine.iam
展開 活動 | 激光雷達種類那么多，究竟誰才是高級別自動駕駛的終極解決方案
機械激光雷達帶有控制激光發射角度的旋轉部件，是最早、也是目前最常見的應用在自動駕駛汽車上的激光雷達類型。但隨著技術的發展，新玩家不斷出現，市場趨勢也逐漸向去掉機械旋轉部件，依靠電子部件來控制激光發射角度，將激光雷達固態化這一方向改變。那么在這眾多的種類中，究竟哪一種激光雷達會成為未來高級別自動駕駛的終極解決方案呢？
機械式激光雷
達作為最早面世與投入使用的產品，擁有技術成熟、掃描速度快、測量精度高、可視范圍廣、抗光干擾能力強等優勢，但同時，光路調試、裝配復雜、生產周期漫長等原因也導致產品有著較高的研發制造難度與造價成本。此外，由于內部旋轉部件的體積與重量問題，機械式激光雷達并不易于集成到車體之中，往往以存在感很強的方式出現在車輛頂部。
混合固態激光雷達
指用半導體“微動”器件來代替宏觀機械式掃描器，在微觀尺度上實現雷達發射端的激光掃描方式，減少了旋轉幅度與體積，從而提高產品的可靠性、降低生產成本。混合固態激光雷達的技術有轉鏡式、微振鏡式（MEMS）等，其中微振鏡式激光雷達憑借其低成本、小體積、高可靠性等特點，成為目前激光雷達市場中的主流研發方向，也是最有量產可能的產品，但也存在振鏡尺寸與懸梁臂結構等問題亟待解決。
通常來說，全固態激光雷達只有兩種，根據使用技術的不同，分為光學相控陣（OPA）激光雷達和FLASH激光雷達。OPA運用相干原理，采用多個光源組成陣列，通過調節發射陣列中每個發射單元的相位差，來控制輸出的激光束的方向，有著體積小、掃描速度快、精度高、可控性強等優點。FLASH激光雷達則是采用垂直腔面發射激光器（VCSEL），通過短時間直接發射出一大片覆蓋探測區域的激光，再以高度靈敏的面陣接收器，來完成對環境周圍圖像的繪制，從而一次性實現全局成像來完成探測，無需考慮運動補償。
展開 旋轉機械NVH分析一般流程
在汽車和一般行業，旋轉機械分析是結構改進的重點，它使得工程師可以跟蹤齒輪箱、傳動系統和軸承的故障。在車輛開發過程中測試振動噪聲對最終的設計十分重要，高質量的測量分析對成功開發新車型產生著重要的作用。
機械設備中的每一個旋轉部件都會產生振動，因而產生噪聲，導致平衡被打破或者部件傳動不平穩等。另外，也有所謂的“葉片通過”現象，這個現象與風扇葉片數和泵有關系。在每一種情況中，我們可以將振動的頻率與機械的轉速關聯起來。比如，風扇類結構帶有5片空間角度均勻分布的葉片，將會在轉頻的5倍處產生噪聲，有時也會在轉頻的更高倍數處，如10倍，15倍等，這取決于適當位置的風扇支承數目。如果這些支承靠近葉片，那么頻率將變成葉片數與支承數目的乘積。
這些振動對機械設備或車輛起到了激勵的作用，當旋轉部件產生的激勵頻率與結構的某一階固有頻率相等時，將出現最嚴重的影響。這些“一致的”頻率通常是設計部門努力的目標，以限制這些影響，不管它們是疲勞，振動或者相應的噪聲等。
對于轉速變化的旋轉機械，為了降低振動噪聲的可接受程度，面臨的挑戰更大。旋轉部件通常傳遞著更大的功率（或能量），不幸的是，即使較小的功率（或能量）轉化為振動噪聲，也能引起不良反應。因此，作為NVH工程師，我們首先需要量化這些振動噪聲，然后再提出合適的方案解決它們。
1. 理論計算
在對旋轉機械進行測試之前，需要做一些準備工作（以變速箱為例）：
首先，需要根據各檔位的動力傳遞路徑，確定測試檔位均有哪些齒輪對參與傳動，計算相應的傳動比。
其次，根據參與動力傳遞的齒輪對的傳動比，確定各級旋轉軸的轉速及相應轉動頻率（或階次）。
第三，根據各級軸的轉動頻率（或階次），計算得到各級軸承的特征頻率（或特征階次）。
展開 旋轉對稱機械疲勞分析模塊Fe-safe/Rotate?
旋轉對稱機械疲勞分析模塊Fe-safe/Rotate?
1、模塊介紹
Fe-safe/Rotate?是fe-safe?基于旋轉對稱模型分析的附加模塊。可以采用軸對稱模型加速旋轉部件的FEA和疲勞分析。該模塊用于提供旋轉部件的，來自于單個靜態FE分析的完整周期的載荷定義。由單個載荷分析步，Fe-safe/Rotate?產生一系列的附加應力結果，就好像模型已經通過一系列不同方向旋轉（或被周圍旋轉的負載模型）。
Fe-safe/Rotate?是實現采用軸對稱結構有限元模型疲勞分析的理想工具，例如：輪轂、齒輪、軸承和轉軸等，同時也支持具有軸對程模型的單個組件，如凸輪的中心、曲軸的法蘭等。
2、功能介紹
●只需一個靜態有限元分析就可定義一個旋轉周期的疲勞；
●以一個載荷步為基礎，Fe-safe/Rotate?產生一系列的額外應力結果，就像該模型被旋轉一樣。
3、案例應用
Fe-safe/Rotate?自動生成疲勞載荷定義。這由一系列描述旋轉，包含中間負荷（如果必要，由FE分析結果生成）的載荷分析步組成。疲勞載荷定義可以做必要的修改，例如包含縮放比例信息。如果希望的旋轉增量小于軸對稱模型的角度，Fe-safe/Rotate?可以指示要考慮多個解決方案。每一個解決方案利用組件的軸對稱模型，需要單個靜態FE分析以便定義一個完整的旋轉載荷。
展開 
關于階次你了解多少？
其中，階次是NVH分析中非常重要的一個概念，它可以用于描述發動機、傳動系統、車輪等旋轉部件的振動頻率，從而幫助工程師進行故障診斷、優化設計和改進制造工藝等方面的工作。階次可以理解為旋轉系統中的一個周期，通常使用“倍頻”來描述，為了更易于理解階次的物理意義，我們先引入頻率的概念。首先我們常說的頻率是指1秒內完成周期性變化（振動）的次數，單位為赫茲(Hz)，例如每秒振動10次，那么它的頻率就為10Hz。而階次就是每旋轉一圈事件發生的次數，例如在一圈內振動了兩次，我們就可以說階次是二階次。同時階次和頻率之間也有關系，對于旋轉機械，每秒旋轉的圈數即轉動頻率，簡稱轉頻；而階次則是每圈事件發生的次數，那么階次對應的事件發生的頻率=階次×轉頻。因此可以可以說1階次對應的頻率=1倍轉頻，n階次對應的頻率=n倍轉頻，這也是我們使用“倍頻”來描述階次的理由。
那為什么我們需要關心階次？
首先階次分析可以用于故障診斷：階次分析可以用于診斷發動機、傳動系統和車輪等旋轉部件的故障來源。例如，一些特定的階次頻率可能會導致明顯的振動和噪聲，工程師就可以通過階次關系確定是發動機哪個部件產生的響應，從而針對這個部件進行減振降噪工作。
其次階次可以用于優化設計：階次分析可以幫助我們評估旋轉系統的穩定性。例如，在發動機的轉速范圍內，不同階次的振動響應會呈現不同的變化趨勢。通過分析不同階次的振動信號，我們可以評估旋轉系統在不同轉速下的穩定性，從而優化系統設計和控制振動。
階次怎么查看？
在進行旋轉機械的振動噪聲時，離不開瀑布圖分析，它采用“跳躍式的FFT變換”方式計算瞬時頻譜，用三維圖來顯示分析結果，是所有瞬時FFT頻譜的集總顯示。
展開 流體仿真技術在家電行業應用案例
家電產品中存在眾多利用流體力學原理而工作的部件，例如大部分的家電中均有風機或泵等旋轉部件。這樣的旋轉部件通常會影響到整機的風量、效率及氣動噪聲等，而通過優化與之相匹配的風道或流道，則可以改善這些流動性能指標。對于風道及風機的性能優化，傳統的實測實驗測試周期長、成本高，而且無法完全發現流動中存在的問題。而通過CFD的數值分析手段，則可以較為完整的得到風道或流動內部的流動狀態，以幫助設計人員降低流動阻力及氣動噪聲，從而完善產品的流體力學性能。
二、案例：空調內機的流量分析
一般的家電產品內部都包含眾多的零部件，對流體分析而言，前處理是個非常棘手的問題。以下面某型號的空調內機為例。客戶需要對其流量進行分析，但是內機模型是從第三方CAD工具進行建模的，內部包含數千個零部件。對這類復雜模型，從CAD系統到CFD分析需要處理一系列的問題：
l 三維CAD模型的零部件之間常常存在小間隙或干涉問題，以及一些小特征，例如螺栓孔、圓角、倒角、刻字等；
l 三維CAD模型進入ANSYS Workbench平臺后常常出現缺面、小面等模型質量問題；
l 需要從結構模型中提取符合流體分析的流道；
l 網格劃分難度大，需要靈活的網格劃分策略。
某型號空調內機模型
在該空調內機模型的處理上，通過使用ANSYS SCDM結合ANSYS Meshing工具，可以比傳統的ANSYS DesignModeler結合ICEM CFD方式的前處理效率高80%以上。通過使用ANSYS SCDM工具，可以大概在一天時間內去除模型中其他的細節，并且提取出流道。
展開 什么是臨界轉速？在 COMSOL 中模擬轉子軸承系統
旋轉部件是燃氣渦輪機、渦輪增壓器、泵、壓縮機、發電機和電動機等機器中的重要部件。設計這樣的部件需要研究它的臨界轉速，就是使系統的振幅變得很大的速度，通常會導致故障。這篇文章讓我們通過使用 COMSOL Multiphysics? 軟件創建的轉子軸承系統模擬器，來探討如何找到各種轉子的臨界轉速。
什么是轉子的臨界轉速？
臨界轉速是指轉子的角速度與它的一個固有頻率相匹配。然而，找到靜止轉子的固有頻率還不足以確定臨界轉速。困難在于轉子的固有頻率取決于轉子的角速度。因此，通過考慮旋轉的影響來計算旋轉部件的固有頻率很重要。
我們可以使用 COMSOL 建立一個仿真 App，通過其底層模型來自動考慮這種旋轉的影響，該仿真 App 只顯示重要的設計參數作為輸入。接下來，讓我們來看看如何利用 COMSOL 案例庫中的一個 App 示例：轉子軸承系統模擬器，來找到各種旋轉系統的臨界轉速。
圖中演示了轉子軸承系統模擬器
探索轉子軸承系統模擬器仿真 App
一個典型的轉子系統有三個標準部件：
轉子，也叫軸
圓盤
軸承
一個轉子系統，包含一個轉子（軸）、圓盤和軸承。
大多數情況下，軸是一個實心或空心的圓柱體，上面安裝著各種部件。在轉子動力學術語中，這些安裝的部件通常被稱為圓盤，由于它們與軸相比具有很高的剛度，因此被模擬為剛性物體。在臨界轉速分析中，只有圓盤的慣性是重要的。軸是柔性單元，也有慣性。軸的完整規格需要考慮它的幾何尺寸和材料特性，如楊氏模量、泊松比和密度。軸承是支持軸的部件。這些部件由它們的等效剛度和阻尼系數來描述。
現在，讓我們看看這些信息是如何傳遞給 App 的。在該仿真 App 中，不同的部分用于不同的用途，包括：
輸入數據
評估結果
訪問信息
指定輸入數據的部分是轉子屬性、圓盤、軸承和研究參數。
展開 和機械式旋轉激光雷達相比，MEMS固態激光雷達有哪些優勢和劣勢？
其所采用的機械結構，在工作時以一定的速度旋轉，使雷達獲得360°的水平全景視野，在垂直方向采用了定向分布式掃描。不過由于需要機械旋轉，有運動部件，導致雷達的可靠性差，壽命短。使得這種雷達目前無法通過車規級認證，大多用在非量產的高階自動駕駛驗證車上面。
固態激光雷達
固態的意思是激光雷達是一個整體，沒有需要旋轉和可動的掃描部件的激光雷達。它是未來激光雷達的終極形態，由于沒有了旋轉部件，在可靠性和壽命上有極大的優勢。目前有Flash面陣式激光和相控陣激光兩種方案可以實現不基于可動部件的激光掃描。
與其他激光雷達不同的是，Flash面陣式激光雷達不需要一條線一條線的進行掃描，而是利用一次閃光，同時照亮整個場景，對場景進行光覆蓋，可一次性實現全局成像。它的工作原理和我們照相機的閃光燈類似，通過記錄不同時間返回的激光，繪制出激光雷達周圍的目標。
光學相控陣（OPA）技術的原理與相控陣雷達類似。懂軍事的小伙伴應該了解，現在的相控陣雷達已經不需要旋轉就可向任何方向發射無線電波。圖片上的一個小圓點就是一個陣列，利用獨立天線同步形成的微陣列，只需控制每個天線發送信號間的時機或陣列，不需“旋轉”，就可以向任何方向發送無線電波。類似的把無線電波替換為激光就得到了相控陣激光雷達。
Flash面陣式激光雷達和相控陣激光雷達兩種雷達都是一部到位地解決了旋轉掃描問題的純固態激光雷達，是車載激光雷達的最終方案。不過目前受限于技術和成本，這種雷達的普及還需要時間。
混合固態雷達
混合雷達是機械雷達和純固態雷達方案的妥協方案。與機械式激光雷達相比，只掃描前方一定角度內的范圍;同純固態激光雷達相比，仍然有一些較小的活動部件。
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