精准分析旋转机械的动力学特性
在旋转机械设计中，精确捕捉旋转效应是确保设备可靠运行的关键。“转子动力学模块”是结构力学模块的附加模块，专为旋转机械仿真而设计，能够帮助工程师提前预见并规避潜在的系统故障与失效风险，进而优化设备运行状态，提升整体性能，为设计决策提供强有力的依据。
无论是在汽车、航空航天、发电设备，还是在电气产品与家用电器的设计中，转子动力学研究都扮演着至关重要的角色。借助 COMSOL® 软件强大的多物理场耦合功能，用户不仅可以轻松进行疲劳仿真和声传播分析，更能深入研究静止部件与运动部件（如旋转轴与液体动压轴承）之间的相互作用，全面掌握转子系统的动力学特性。
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旋转电机在运行过程中，其物理特性极易受到振动的影响，而振动又会随着转速提升和零部件几何形状的变化而进一步加剧。即便是结构完全对称的转子总成，在高转速下也可能发生模态分离现象，导致原本在垂直对称平面上相同的振动模态不再成立；当运行频率接近旋转系统的固有频率时，哪怕是极微小的缺陷或不平衡，也可能引发剧烈的振动响应。
“转子动力学模块”能够对转子、轴承、圆盘及基础结构进行全面的共振、应力和应变分析，帮助用户将设备的运行工况控制在安全、可接受的范围内，用户可以评估不同设计参数对固有频率的影响，深入研究涡动效应、临界转速及稳定性阈值，并能精确模拟稳态和瞬态不平衡响应。
此外，模块强大的预测功能还可以分析转子在旋转过程中产生的内部应力分布，并追踪载荷与振动在旋转机械各部件之间的传递路径，帮助用户从振动抑制到结构优化，全面提升设备的可靠性与使用寿命。
COMSOL Multiphysics® 软件平台，助您高效执行各类转子动力学仿真。
COMSOL Multiphysics® 仿真平台及其附加模块提供了一系列面向不同物理领域的预定义接口。其中，“转子动力学模块”配备了专用接口，帮助用户高效、精确地进行转子与轴承的动力学仿真。实心转子 接口支持将转子作为全三维几何模型进行建模，用户既可导入主流 CAD 软件生成的几何，也可利用 COMSOL Multiphysics® 内置的 CAD 功能进行创建。梁转子 接口则以一维梁单元简化转子结构，并可在模型中以点的形式添加转子部件，在保证精度的同时大幅提升计算效率。
实心转子 和梁转子 接口均可用于计算位移、速度、加速度和应力等关键动力学参数。对于包含润滑油膜的轴承，本模块还提供了液体动压轴承 接口，实现对液体动压效应的精细化模拟。
在转子系统建模中，常因计算量过大而面临挑战，因此通常采用简化的轴表示方法。在许多情况下，利用专用的梁单元可以高效且精准地模拟转子的整体动力学特性。
此类分析采用线性表示方法，基于轴的截面属性实现快速几何建模，在处理由轴对称轴和理想刚性圆盘构成的转子系统时尤为出色。此外，梁转子模型还可用于模拟转子在位移受限情况下发生的碰摩现象。
在旋转机械中，转子通常需要通过轴承在特定位置进行支撑，以防止其产生横向和/或轴向移动。“转子动力学模块”提供了一系列采用隐式轴承描述进行建模的抽象轴承，涵盖以下类型：
每种轴承类型下还包含多个变体。例如，径向滚子轴承 选项包含单列和双列等不同结构，支持以下多种轴承样式：
转子-轴承系统所依托的结构组成通常被称为基础，可根据需求的复杂程度采用不同的建模方式。基础结构主要分为以下三种类型：
当基础结构的刚度远大于转子及其支撑系统时，可以使用固定基础 选项，此时假设轴承在空间中被刚性固定。如需模拟基础结构的柔性特性，可以选择柔性基础 选项，通过一组柔性弹簧进行分析。对于需要明确考虑轴承基础运动的情况，可以选择运动基础 选项，以模拟基础结构的动力学行为。
借助 Craig–Bampton 方法，“转子动力学模块”能够将线性部件简化为计算高效的支撑基础降阶模型。随后，这些部件可以集成到仅包含降阶部件的模型中，或与包含非线性部件的非降阶弹性有限元（FE）模型结合使用。这项技术称为部件模态综合法 或动态子结构方法，能显著减少计算时间和内存使用量。
“转子动力学模块”提供直观清晰的可视化工具，让仿真结果一目了然，并支持数据存储，便于后续使用和分析。模块内置了多种专为转子动力学分析定制的绘图类型，包括：
“转子动力学模块”内置了强大的多物理场耦合功能，可精确捕捉油膜涡动与振荡效应。为了模拟带液体动压轴承的三维转子及其相互作用，可以使用实心转子与液体动压轴承 多物理场接口，通过实心转子-轴承耦合 多物理场耦合将实心转子 与液体动压轴承 接口无缝衔接，能够将实心转子 接口中的速度和位移信息传递到液体动压轴承 接口，确保仿真结果的高度一致性与准确性。
为了模拟已定义为梁的转子和液体动压轴承及其相互作用，可以使用梁转子与液体动压轴承 多物理场接口，通过多物理场耦合特征梁转子-轴承耦合 将梁转子 与液体动压轴承 接口相结合，实现对二者作用机制的精细仿真。
在某些应用场景下，转子的几何不对称性、截面变形，以及圆盘、叶片或其他连接件的动力学效应都不容忽视。针对这些复杂情况，本模块可对转子进行全三维建模，直接、精确地还原其几何结构。
借助底层的连续体描述，这种方法能够自动捕捉旋转软化与应力刚化效应，并以最高精度呈现转子在不同工况下的真实响应，为工程仿真提供可靠、精准的动力学分析方案。
在对由液膜轴承支撑的转子进行高级仿真时，可以使用液体动压轴承 接口，研究液膜中的压力分布、速度场和功率损耗。对于液体润滑剂，可通过雷诺方程进行基础分析，或采用 Jakobsson–Floberg–Olsson（JFO）空化理论来考虑空化效应。对于气体润滑轴承，则使用修正雷诺方程进行仿真。
液体动压轴承 接口可用于模拟多种预定义的轴承和阻尼器类型，甚至是用户指定的类型。预定义类型包括：
此外，用户还可以指定入口、出口或轴承不对中，以更真实地表示实际轴承结构和运行状态。
“转子动力学模块”默认使用线弹性材料 特征作为材料模型。用户不仅可以利用此特征添加线弹性转子的位移方程，还能定义材料的弹性与惯性属性，其中还可以考虑由转子旋转引起的坐标系加速度力。此外，模块还支持灵活集成热膨胀、初始/外部应力和应变、阻尼等复杂物理效应，为旋转机械的精密仿真提供了强大的支撑。
“转子动力学模块”提供多种研究类型，全面支持转子总成的静态与动态分析。例如，用户可以使用稳态 研究进行参数化分析，探索转子在不同工况（如不同质量偏心）下的行为特性。特征频率 研究则专门用于在一系列转速范围内反复进行特征频率分析，以识别系统的稳定运行区间和临界转速。
当转子承受的所有载荷均为时谐载荷时，可以使用频域 研究来计算转子的响应。如需考虑不平衡量的惯性效应及其相对于共转坐标系的时变特性，则可以使用时域 研究进行瞬态分析。
瞬态及 FFT 研究结合了时域仿真及后续的快速傅里叶变换（FFT），可对转子角速度进行参数化扫描。尽管这种研究类型的计算成本相对较高，但对于分析转子-轴承系统中复杂的亚同步和超同步振动问题，该方法具有不可替代的优势。
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