使用转子动力学模块分析各类旋转机械

Caty Fairclough 2016年 12月 6日

在模拟旋转机械时,可通过研究振动对机器性能的影响来有效避免机器故障。为了实现这一目标,一种方法是使用新的“转子动力学模块”,它是 COMSOL Multiphysics® 软件“结构力学模块”的扩展模块。在本文中,我们将介绍“转子动力学模块”,带领你了解它的实用特征和功能,助你改进旋转机械设计流程。

转子动力学建模有哪些用途?

首先,我们简要介绍一下转子动力学建模。如之前发布的一篇博客所述,旋转机械具有广泛的应用,从航空航天技术到发电,遍及众多行业,转子动力学分析十分有助于加强旋转机械的功能,提高安全性。

举例来说,假设你要确保一台发电机(一种旋转机械)避免由设计欠佳导致的不稳定、破坏性共振和故障问题。这时你可以执行转子动力学分析,研究影响发电机物理特性的振动现象,以及由发电机的旋转和结构引起的振动加剧。

发电机图片。
利用 COMSOL 建立的发电机计算模型。

发电机(左)及其三维模型(右)。

借助仿真软件,你能够提高转子动力学研究的准确性和简易性。现在,加上“转子动力学模块”,这一过程会变得更加方便灵活。

“转子动力学模块”会帮助你设置正确的设计参数,分析共振、应力、应变以及横向和扭转振动效应对旋转机械的的影响,由此使响应保持在可接受的运行限制范围内。此外,你能进一步了解固定和移动的转子组件如何影响产品设计,并计算临界速度、固有频率和振型。在下一节中,我们将深入探讨一些具体的优点和功能。

为什么要使用“转子动力学模块”?

“转子动力学模块”的突出优势之一是其出色的灵活性。你可以轻松地自定义仿真分析,方便地研究旋转装配或整个结构的特定组成部分。

上述操作的第二项可通过“转子动力学模块”的实心转子 接口来实现,在有限元建模中,此接口使用三维 CAD 几何表示转子和实体单元。你可以通过研究旋转装配中的所有组件来生成最精确的结果。在分析转子的应力和变形时,你不需要去模拟整个系统,这样会提高仿真的精度。为了计算整个域中的应力分布和变形场分布,你必须将转子模拟为实心单元。

使用此接口时,你还能引入非线性几何效应,充分描述几何的不对称性,解释旋转软化效应和应力钢化效应等现象。

使用 COMSOL ‘转子动力学模块’创建的模型。
使用了 实心转子接口的曲轴模型,此模型用于分析轴承润滑层中的压力分布以及 von Mises 应力。

如果你希望降低模型的计算成本,该怎么办呢?梁转子 接口为旋转机械建模提供了一种计算效率更高的方式。在这个接口中,转子被定义为一条沿转子轴的边,其他旋转机器组件的定义方式是在各自的位置上创建点。

研究旋转机械的基础和轴承

此模块的另一个优点是简化了转子系统中两个关键单元——基础和轴承的建模过程。首先,基础被划分成三个不同的建模选项:

  1. 固定基础,即不会显著影响转子响应的基础
  2. 移动基础,即会经受外部振动的基础和轴承
  3. 柔性基础,即由于自身柔性而影响转子临界转速的基础

液体动压轴承模型。
液体动压轴承中的压力模型。

安装在基础上方的组件便是轴承。首先介绍轴颈轴承,在“转子动力学模块”中你可以通过两种方式模拟轴颈轴承:

  1. 使用进行了一定近似处理的集总模型
  2. 模拟整个液体动压轴承,包括详细分析润滑压力和润滑油流

上述第二种方式利用了三个不同的接口,其中液体动压部分使用完整的雷诺方程计算。液体动压轴承 接口详细地模拟了轴颈轴承的性能,并且针对轴颈和轴套之间的润滑油提供了一种简易的模拟方法。实心转子与液体动压轴承梁转子与液体动压轴承 接口都可以分析转子、液体动压轴承以及二者间的相互作用。不过顾名思义,前者使用实体单元来描述转子,后者使用梁来定义近似处理后的转子。

如果你有兴趣模拟推力轴承,“转子动力学模块”为你准备好了一切。此模块包括三种类型的推力轴承及其特征:无间隙轴承、轴承刚度和阻尼系数,以及轴承力和力矩。

选择丰富的研究范围和绘图类型

利用上文介绍的特征和功能,你可以根据具体需求来设计模型。这还不是全部:“转子动力学模块”提供了更多自定义特征,包括多种可选的研究类型。

利用给定的研究类型,你可以轻而易举地模拟陀螺效应;与此同时,振动效应是从共转观察者的角度来模拟的。为此,我们使用了与转子同步旋转的坐标系,因此无需实际旋转转子就能模拟装配,建模流程得到了简化。在共转框架中建模时,可以对旋转系统执行特征频率分析;如果在固定空间框架中观察系统,旋转会呈非线性,故无法进行特征频率分析。适用于静态分析和动态分析的可选研究类型包括:

  • 稳态研究
  • 特征频率研究
  • 频率与时域研究
  • 带 FFT 的瞬态研究

请注意,对于转子动力学分析而言,稳态研究的定义和常规分析是不同的。

运行研究之后,你可以将研究结果绘制成图,并与他人一起分享。为此,你需要选择最能直观显示具体结果的绘图类型。下方四张图片对应了四种绘图类型,你可以根据自己的转子动力学分析选择一种进行创建。

‘转子动力学模块’中的回旋图示例。
回旋图绘制了沿轴的转子振型。

在 COMSOL Multiphysics 中运行转子动力学分析绘制出的两张坎贝尔图。
坎贝尔图绘制了转子的固有频率随速度的变化情况。

瀑布图示例。
瀑布图绘制了频谱随转子角速度增加的变化情况。

利用 COMSOL Multiphysics 的‘转子动力学模块’生成的轨道图。
轨道图绘制了转子在特定点上的位移情况,这些点包含了轴承和圆盘的位置。

单击下方的按钮,了解更多有关“转子动力学模块”的信息。如果你有任何问题,欢迎随时联系我们。祝建模愉快!

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