Ansys转子动力学.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateAnsys转子动力学Ansys转子动力学基于ANSYS的转子动力学分析1、题目描述如图1-1所示,利用有限原原理计算转子临界转速以及不平衡响应。图 1-1 转子示意图及尺寸2、题目分析采用商业软件ANSYS进行分析，转子建模时用beam188三维梁单元,该单元基于Timoshenko梁理论，考虑转动惯量与剪切变形的影响。每个节点有6个(三个平动,三个转动)或7各自由度

2、（第七个自由度为翘曲，可选）。轴承用combine214单元模拟。该单元可以模拟交叉刚度和阻尼。只能模拟拉压刚度，不能模拟弯曲或扭转刚度。该单元如图2-1所示，其有两个节点组成，一个节点在转子上，另一个节点在基础上。图 2-1 combine214单元对于质量圆盘，可以用mass21单元模拟，该单元有6个自由度，可以模拟X,Y,Z三个方向的平动质量以及转动惯性。3、计算与结果分析3.1 转子有限元模型建模时，采用钢的参数，密度取，弹性模量取，泊松比取0.3。轴承刚度与阻尼如表1所示，不考虑交叉刚度与阻尼，且为各项同性。表 3-1 轴承刚度与阻尼参数KxxKyyCxxCyy4e7N/m4e7N/

3、m4e5N.s/m4e5N.s/m将转子划分为93个节点共92个单元。有限元模型如图3-1所示。图 3-1 转子有限元模型施加约束时，由于不考虑纵向振动与扭转振动，故约束每一节点的纵向与扭转自由度，同时约束轴承的基础节点。施加约束后的模型如3-2所示。图 3-2 施加约束后的有限元模型3.1 转子临界转速计算在ANSYS中可以很方便的考虑陀螺力矩的影响。考虑陀螺力矩时，由于陀螺矩阵是反对称矩阵，所以求取特征值时要用特殊的方法。本文考虑陀螺力矩的影响，分析了在陀螺力矩的影响下，转子涡动频率随工作转速的变化趋势，其Campell图如图3-3所示。同时给出了转子的前四阶正进动涡动频率与反进动涡动频率

4、以及固有频率。如表3-2所示。表 3-2 转子涡动频率随转速的变化(rpm)010000200003000040000(Hz)54.73854.83355.02755.24855.478(Hz)54.73854.13153.93853.71853.489(Hz)174.12174.85175.61176.38177.14(Hz)174.12173.31172.55171.78171.02(Hz)301.97303.56305.18306.82308.46(Hz)301.97300.35298.76297.19295.63(Hz)484.00488.60493.24497.93502.65(Hz

5、)484.00479.44474.92470.45466.02图 3-3 转子Campell图从表3-2与图3-3可以看出,陀螺力矩提高了转子的正向涡动频率,降低了转子的反向涡动频率。同时，陀螺力矩对高阶涡动频率影响更显著。表3-3对比了不考虑陀螺力矩与考虑陀螺力矩时转子前三阶正临界转速。表 3-3 临界转速对比(Hz)(Hz)(Hz)(Hz)(Hz)(Hz)不考虑陀螺力矩54.4954.49174.21174.21302.06302.06考虑陀螺力矩54.7754.20174.89173.28304.91299.09从表3-3可以看出,陀螺力矩导致了转子系统出现正向临界转速与反向临界转速。同

6、时，陀螺力矩增加了转子正向临界转速，降低了转子反向临界转速。从这个意义上说，陀螺力矩似乎增加了转子正向涡动的刚度。图3-4至图3-6分别给出了转子在10000rpm时前三阶正向涡动振型图。图 3-4 转子第一阶正向涡动轨迹图 3-5 转子第二阶正向涡动轨迹图 3-6 转子第三阶正向涡动轨迹3.2 不平衡响应计算有转子几何尺寸得盘1与盘3质量为7.12Kg，盘2质量为14.24Kg。假设三个圆盘均有质量偏心，其偏心按表3-4分布。所以不平衡量按计算。表 3-4 各圆盘偏心分布偏心e(mm)相位()盘13045盘21560盘320135计算2000rpm时转子的不平衡响应。采用ANSYS的瞬态动力

7、学分析模块。图3-7与图3-8分别代表了圆盘1的在2000rpm时的不平衡响应与轴心轨迹图，由图可以看出不平衡响应达2.45mm。图 3-7 2000rpm时圆盘1不平衡响应图 3-8 2000rpm时圆盘1轴心轨迹图3-9与图3-10分别代表了圆盘2的在2000rpm时的不平衡响应与轴心轨迹图，由图可以看出不平衡响应达3.2mm。图 3-9 2000rpm时圆盘2不平衡响应图 3-10 2000rpm时圆盘2轴心轨迹图3-11与图3-12分别代表了圆盘3的在2000rpm时的不平衡响应与轴心轨迹图，由图可以看出不平衡响应达2.4mm。图 3-11 2000rpm时圆盘3不平衡响应图 3-12

8、 2000rpm时圆盘3轴心轨迹同时，计算转子随转速变化的不平衡响应图。采用ANSYS的谐响应分析模块。由于转子各向同性,只给出三个圆盘转子Y向的振动幅值随转速的变化关系。图3-13到图3-15分别给出了三个圆盘不平衡响应随转速的变化关系。其中盘2的不平衡响应在第二阶固有频率处为0，这是因为转子系统完全对称，盘2在第二阶固有频率处刚好为节点。图 3-13 圆盘1 Y向不平衡响应随转速变化关系图 3-14 圆盘2 Y向不平衡响应随转速变化关系图 3-15 圆盘3 Y向不平衡响应随转速变化关系3.3 转子启动阶段的ANSYS模拟利用ansys软件模拟了转子启动阶段的全过程。假设转子线性加速，在2s

9、时转速稳定在2000rpm转。各盘不平衡分布如表3-4所示。图3-16到图3-19分别表示盘1与盘2启动阶段的不平衡响应幅值及轴心轨迹图。图 3-16 盘1启动阶段Y向不平衡响应幅值图 3-17 盘1启动阶段轴心轨迹图 3-18 盘2启动阶段Y向不平衡响应幅值图 3-19 盘2启动阶段轴心轨迹3.4 转子稳定性分析本文利用ANSYS考虑由于材料内阻尼以及轴承油膜阻尼引起的转子系统不稳定性。设材料内阻尼系数为2e-4（ANSYS里边其阻尼值为a*K，其中a为阻尼系数，K为单元刚度矩阵）。图3-20为其稳定性图谱。由转子稳定性理论可知，对于一个多自由度系统，其有N个与固有频率相对应的失稳转速，一般

10、只关注最小失稳转速。由图可知，最小失稳转速为418.88rad/s（即4000rpm/min），由第一阶正进动引起。图 3-20 转子稳定性图谱设轴承刚度与阻尼如表3-5。单位均为国际标准单位。表 3-5 油膜轴承刚度与阻尼KxxKyyKxyKyxCxxCyyCxyCyx4e74e73e53e51e5-1e4-1e4-1e4图3-21为其稳定性图谱。由图可知，转子从一开始就是不稳定的，这主要由于负阻尼的影响。图 3-21 转子稳定性图谱4、总结本文利用ANSYS商业软件，系统对转子系统进行了动力学分析，包括涡动频率求解，临界转速求解，不平衡响应求解，转子启停分析以及稳定性分析。由于转子的动力学分析涉及很多方面，比如气流激振，动平衡模拟，故障仿真，非线性等等，因此本文不可能对转子的每一个分支进行模拟。这是本文的不足之处。-