ANSYS转子动力学分析及应用

MODAL, HARMONIC and TRANSIENT
Rotating Frame
•基本的柔性体动力学 •不必是轴对称结构 (或者循环对称结构) •单一的转速比 •边界条件和计算结果在旋转坐标系 •使用的分析类型：
STATIC, MODAL, HARMONIC, TRANSIENT
转子动力学求解
• 典型的应用包括
– 轴的弯曲变形 – 扭转振动 – 转轴不对中 – 转动部件的平衡 – 流体引起的振动（与 CFD）
转子动力学分析的计算项目
• 寻找临界转速 • 不平衡响应计算 • 基础激励响应计算 • 转子旋转以及系统稳定性预估 • 转动部件陀螺力矩生成 • 柔性轴承影响 (oil film bearings) • 转子不平衡力以及其它激励力的计算
⎡ ⎢
0
−ωz
ωy
⎤ ⎥
ω = ⎢⎢⎣⎢−ωωzy
0 ωx
−
ωx
⎥ ⎥
0 ⎥⎦
转子动力学分析的基本方程
Dynamic equation in stationary reference frame
M{&u&}+( C +[Cgyr]){u&}+ K{u}= F ⎡ ⎤
⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
ANSYS转子动力学分析
安世亚太西区客户支持部
2008-10-14
目录
• 转子动力学的理论背景 • 转子动力学分析的基本内容 • 转子动力学分析的求解 • 应用实例 • 总结
转子动力学理论背景
δ
y
z
x
bearing
shaft
ω
bearing
rotor
转子动力学理论背景
在非零转速下的Coriolis和不平衡项
对比项
Stationary Frame
Rotating Frame
单元类型
BEAM4, PIPE16, MASS21, SOLID45, SOLID95, SOLID185, SOLID186, BEAM188, BEAM189.
MASS21, SHELL181,
PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187, BEAM188, BEAM189, SOLSH190, SHELL281. PLANE223, SOLID226, SOLID227
• CMOMEGA: 指定某些部件关于任意定义的转动轴的转动速度 • OMEGAX, OMEGAY, and OMEGAZ
– CMOMEGA适用下列分析类型s: • Static • Harmonic - Full • Transient - Full
Coriolis Command
• 在指定转动速度（ OMEGA or CMOMEGA 命令），CORIOLIS命 令对结构施加 Coriolis效应。
转子动力学分析的两种形式
• 在静止坐标系下
– 在静止坐标系下，考虑： gyroscopic 矩阵
• 基于柔性体动力学的旋转坐标系
– 旋转坐标系可以导出： Coriolis 矩阵以及Coriolis力
这两种分析类型都可以考虑旋转软化效应
转子动力学分析的坐标系
• 当结构旋转时，惯性力和惯性力矩都会体现出来 • 为了最好的表述这些量, 我们可以选择静止坐标系:
M{&u&r}+ ⎡ ⎤
⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
( C⎡ ⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
+[Ccor
]){u& r}+
( K⎡ ⎢ ⎢ ⎢⎣
⎤ ⎥ ⎥ ⎥⎦
−[Kspin
]){ur}=
F⎧ ⎫
⎪⎪ ⎨⎬ ⎪⎩ ⎪⎭
Coriolis force {fc}=[Ccorio]{u& r}
Coriolis matrix [Ccor]= 2 ∫ ρΦT ωΦ dv,
目录
• 转子动力学的理论背景 • 转子动力学分析的基本内容 • 转子动力学分析的求解 • 应用实例 • 总结
转子动力学的求解
Hale Waihona Puke Stationary Frame
•基本的转子动力学 •需要轴对称结构 •允许多级旋转比率和静止的组件 •边界条件和计算结果在静止坐标系 •能够生成Campbell图 •适用的分析类型：
OMEGA/CMOMGA Command
• OMEGA: 该命令指定结构在总体迪卡儿系下的转速（角速度）
转动速度可以在下列分析类型中定义：
• Static • Harmonic - Full or mode superposition • Transient - Full or mode superposition
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎣ ⎥⎦
⎧⎫ ⎪⎪ ⎨⎬ ⎪⎩ ⎪⎭
Gyroscopic moment {fg}=[Cgyro]{u& }
目录
• 转子动力学的理论背景 • 转子动力学分析的基本内容 • 转子动力学分析的求解 • 应用实例 • 总结
转子动力学分析的内容和应用
• 转子动力学分析包括
– 无阻尼临界转速计算 – 不平衡响应分析 – 有阻尼特征值计算 – 稳定性分析
global Cartesian (OXYZ) 或者旋转坐标系：
附着在旋转结构上y 的 (O'X'Y'Z')
Y’
P r’ P’
r
X’
Stationary Frame o
R
Z’ Rotating Frame
x
z
转子动力学分析的基本方程
Dynamic equation in rotating reference frame
• • 在下列分析类型中施加Coriolis 效应：
– Static -（在静止坐标系下不用） – Modal –也支持预应力模态分析 – Harmonic -Full or QRDAMP-支持基于模态叠加法 – Transient - Full or mode QRDAMP-支持模态叠加法
分析类型
Modal, Transient, Harmonic
Static, Modal, Transient,
Harmonic
功能和常用命令
• Omega command – (OMEGA, CMOMEGA) • Coriolis command – (CORIOLIS) • Campbell diagram - (PLCAMPB, PRCAMPB, CAMPB) • Backward / forward whirl & instability • Multi-spool rotors • Whirl orbit plots – (PLORB, PRORB) • Bearing element – (COMBIN214) • Unbalance response (SYNCHRO)