转子动力学有限元法计算及编程
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Baidu Nhomakorabea
三、相关软件
• 含转子动力学功能的大型通用软件
Nastran - Finite element based (3-D/2-D and beam element) Ansys - (3-D/2-D and beam element) SAMCEF - Finite element based (3-D/2-D and beam element)
振动监测：
故障诊断：
• Campbell图
一、概述
图中红色和蓝色 曲线分别表示反向涡 动和正向涡动频率随 自转角速度Ω的变化 曲线，交点A、B表示 临界转速
简单转子系统坎贝尔图
二、基本方程
• 轴向对称转子在恒定自转角速度下
M 质量矩阵 实对称正定矩阵 C 阻尼矩阵 G 回转矩阵（陀螺效应矩阵） 实反对称矩阵 K 刚度矩阵 实对称正定矩阵
三维实体单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
Beam Model Shell Model Solid Model
三种单元仿真结果比较
三、相关软件
• ANSYS转子动力学模块介绍 ANSYS 转子动力学计算包含如下功能：无阻尼临界转速分析
不平衡响应分析 阻尼特征值分析 涡动和稳定性预测
传统的转子动力学分析采用传递矩阵方法进行，由于将大量的结构 信息简化为极为简单的集中质量—梁模型，不能确保模型的完整性和分 析的准确度；而应用有限元法在处理转子动力学问题时，可以很好地兼 顾模型的完整性和计算的效率，但多年来转子的“陀螺效应”一直是制 约转子动力学有限元分析的“瓶颈”问题。目前的商业软件已经可以很 好地解决了动力特性分析中“陀螺效应”影响的问题，而且陀螺效应的 考虑不受计算模型上的限制，使转子动力学有限元分析变得简单高效。
不稳定性：自激涡动、油膜振荡、非同步涡动，当转速超过某一阈值时， 涡动振幅增长，而涡动频率几乎不变，失稳阈速可以通过计算系统的复 特征值来求得
一、概述
• 转子动力学关心的课题与现象 阻尼器：当轴承提供的阻尼不足，或需要抑制失稳时可提供阻尼器，典 型结构是挤压油膜阻尼器
平衡：在转子上安装校正质量来补偿转子的残余质量不平衡，通常按以 下两步骤来进行，低速平衡机上作刚体平衡和随后的现场平衡
二、基本方程
• 不同坐标系下运动方程的形式：
二、基本方程
• 计算临界转速
解析法：特征值法 特征方程 影响系数法
K n2 M 0
近似法：瑞利法
也称能量法，求得轴系一阶临界转速上限
邓可莱法 可以给出一阶临界转速下限
数值法：有限单元法 程序复杂，精度高，数值稳定性好
矩阵传递法 编程相对容易，精度低，数值稳定性差
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学模块介绍
解算方案选项：模态分析-预测飞轮固有频率和临界转速 频率分析-预测稳态载荷的响应
求解器说明： SOL 110 – 复模态特征值求解 SOL 111 – 频率响应 SOL 112 – 瞬态响应
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学模块介绍 前处理的说明：到目前最新版本为止，尚未拥有通过界面操作使用
ANSYS提供了一系列功能完善转子动力学计算，包括：
CMOMEGA 可以通过组（component CM_NAME）对多个转子指定不同的转速
CORIOLIS 可以考虑哥氏效应在不同参考坐标系下的影响
这一模块功能，需要手工输入编辑仿真文件。
需要输入的选项卡为： ROTORG – list of rotor grid points ROTORD – solution control EIGC – complex eigenvalue control
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
一、概述
• 转子动力学关心的课题与现象 临界转速：与转子共振相重合的那些转速，在这些转速振幅和大，在设 计阶段需要计算临界转速
不平衡响应：转子对于质量不平衡的同步强迫响应，一般情况下，不平 衡是分布的，且事先是未知的，而求得到响应幅值依赖与设定的分布情 况
瞬态响应：某些特殊场合下才考虑，如叶片丢失；另一特殊场合是研究 对地震激烈的响应，此时通常采用模态响应的方法，而激励以响应谱的 形式给出
转子动力学有限元法计算及 编程
• 一、概述 • 二、基本方程 • 三、相关软件 • 四、项目及进展 • 五、具体案例
一、概述
转子动力学作为固体力学中的一个重要分支，它主要研究旋转机械 的“转子－支承”系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，其主 要研究内容有几个方面：临界转速、动力响应、稳定性、动平衡技术和 支承设计。在旋转机械研究设计中，转子动力学的性能分析是极其重要 的一个方面。
轴：2000mm 外径：100 mm 内径：88 mm 毂：96 kg 自转角速度： 0-24000 RPM 弹簧与阻尼支撑
W
转子模型示意图
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
一维梁单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
二维壳单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
• 运动微分方程
作用力方程：概念清晰
位移方程： 建立容易
三、相关软件
• 转子动力学专用软件 MADYN 2000 (DELTA JS Inc.) Dyrobes (Eigen Technologies, Inc.) RIMAP (RITEC) - Commercial 1-D beam element solver XLRotor (Rotating Machinery Analysis, Inc.) - Commercial 1-D beam element solver iSTRDYN (DynaTech Software LLC) ARMD (Rotor Bearing Technology & Software, Inc.) - Commercial 1-D beam element solver XLTRC2 (Texas A&M) - Academic 1-D beam element solver ComboRotor (University of Virginia)
三、相关软件
• 含转子动力学功能的大型通用软件
Nastran - Finite element based (3-D/2-D and beam element) Ansys - (3-D/2-D and beam element) SAMCEF - Finite element based (3-D/2-D and beam element)
振动监测：
故障诊断：
• Campbell图
一、概述
图中红色和蓝色 曲线分别表示反向涡 动和正向涡动频率随 自转角速度Ω的变化 曲线，交点A、B表示 临界转速
简单转子系统坎贝尔图
二、基本方程
• 轴向对称转子在恒定自转角速度下
M 质量矩阵 实对称正定矩阵 C 阻尼矩阵 G 回转矩阵（陀螺效应矩阵） 实反对称矩阵 K 刚度矩阵 实对称正定矩阵
三维实体单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
Beam Model Shell Model Solid Model
三种单元仿真结果比较
三、相关软件
• ANSYS转子动力学模块介绍 ANSYS 转子动力学计算包含如下功能：无阻尼临界转速分析
不平衡响应分析 阻尼特征值分析 涡动和稳定性预测
传统的转子动力学分析采用传递矩阵方法进行，由于将大量的结构 信息简化为极为简单的集中质量—梁模型，不能确保模型的完整性和分 析的准确度；而应用有限元法在处理转子动力学问题时，可以很好地兼 顾模型的完整性和计算的效率，但多年来转子的“陀螺效应”一直是制 约转子动力学有限元分析的“瓶颈”问题。目前的商业软件已经可以很 好地解决了动力特性分析中“陀螺效应”影响的问题，而且陀螺效应的 考虑不受计算模型上的限制，使转子动力学有限元分析变得简单高效。
不稳定性：自激涡动、油膜振荡、非同步涡动，当转速超过某一阈值时， 涡动振幅增长，而涡动频率几乎不变，失稳阈速可以通过计算系统的复 特征值来求得
一、概述
• 转子动力学关心的课题与现象 阻尼器：当轴承提供的阻尼不足，或需要抑制失稳时可提供阻尼器，典 型结构是挤压油膜阻尼器
平衡：在转子上安装校正质量来补偿转子的残余质量不平衡，通常按以 下两步骤来进行，低速平衡机上作刚体平衡和随后的现场平衡
二、基本方程
• 不同坐标系下运动方程的形式：
二、基本方程
• 计算临界转速
解析法：特征值法 特征方程 影响系数法
K n2 M 0
近似法：瑞利法
也称能量法，求得轴系一阶临界转速上限
邓可莱法 可以给出一阶临界转速下限
数值法：有限单元法 程序复杂，精度高，数值稳定性好
矩阵传递法 编程相对容易，精度低，数值稳定性差
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学模块介绍
解算方案选项：模态分析-预测飞轮固有频率和临界转速 频率分析-预测稳态载荷的响应
求解器说明： SOL 110 – 复模态特征值求解 SOL 111 – 频率响应 SOL 112 – 瞬态响应
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学模块介绍 前处理的说明：到目前最新版本为止，尚未拥有通过界面操作使用
ANSYS提供了一系列功能完善转子动力学计算，包括：
CMOMEGA 可以通过组（component CM_NAME）对多个转子指定不同的转速
CORIOLIS 可以考虑哥氏效应在不同参考坐标系下的影响
这一模块功能，需要手工输入编辑仿真文件。
需要输入的选项卡为： ROTORG – list of rotor grid points ROTORD – solution control EIGC – complex eigenvalue control
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
一、概述
• 转子动力学关心的课题与现象 临界转速：与转子共振相重合的那些转速，在这些转速振幅和大，在设 计阶段需要计算临界转速
不平衡响应：转子对于质量不平衡的同步强迫响应，一般情况下，不平 衡是分布的，且事先是未知的，而求得到响应幅值依赖与设定的分布情 况
瞬态响应：某些特殊场合下才考虑，如叶片丢失；另一特殊场合是研究 对地震激烈的响应，此时通常采用模态响应的方法，而激励以响应谱的 形式给出
转子动力学有限元法计算及 编程
• 一、概述 • 二、基本方程 • 三、相关软件 • 四、项目及进展 • 五、具体案例
一、概述
转子动力学作为固体力学中的一个重要分支，它主要研究旋转机械 的“转子－支承”系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，其主 要研究内容有几个方面：临界转速、动力响应、稳定性、动平衡技术和 支承设计。在旋转机械研究设计中，转子动力学的性能分析是极其重要 的一个方面。
轴：2000mm 外径：100 mm 内径：88 mm 毂：96 kg 自转角速度： 0-24000 RPM 弹簧与阻尼支撑
W
转子模型示意图
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
一维梁单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
二维壳单元仿真模型
三、相关软件
• NX Nastran转子动力学案例
• 运动微分方程
作用力方程：概念清晰
位移方程： 建立容易
三、相关软件
• 转子动力学专用软件 MADYN 2000 (DELTA JS Inc.) Dyrobes (Eigen Technologies, Inc.) RIMAP (RITEC) - Commercial 1-D beam element solver XLRotor (Rotating Machinery Analysis, Inc.) - Commercial 1-D beam element solver iSTRDYN (DynaTech Software LLC) ARMD (Rotor Bearing Technology & Software, Inc.) - Commercial 1-D beam element solver XLTRC2 (Texas A&M) - Academic 1-D beam element solver ComboRotor (University of Virginia)