使用轉子動力學模塊分析各類旋轉機械

04-23

在模擬旋轉機械時，可通過研究振動對機器性能的影響來有效避免機器故障。為了實現這一目標，一種方法是使用新的「轉子動力學模塊」，它是 COMSOL Multiphysics? 軟體「結構力學模塊」的擴展模塊。在本文中，我們將介紹「轉子動力學模塊」，帶領你了解它的實用特徵和功能，助你改進旋轉機械設計流程。

轉子動力學建模有哪些用途？

首先，我們簡要介紹一下轉子動力學建模。如之前發布的一篇博客所述，旋轉機械具有廣泛的應用，從航空航天技術到發電，遍及眾多行業，轉子動力學分析十分有助於加強旋轉機械的功能，提高安全性。

舉例來說，假設你要確保一台發電機（一種旋轉機械）避免由設計欠佳導致的不穩定、破壞性共振和故障問題。這時你可以執行轉子動力學分析，研究影響發電機物理特性的振動現象，以及由發電機的旋轉和結構引起的振動加劇。

發電機（左)及其三維模型（右)。

藉助模擬軟體，你能夠提高轉子動力學研究的準確性和簡易性。現在，加上「轉子動力學模塊」，這一過程會變得更加方便靈活。

「轉子動力學模塊」會幫助你設置正確的設計參數，分析共振、應力、應變以及橫向和扭轉振動效應對旋轉機械的的影響，由此使響應保持在可接受的運行限制範圍內。此外，你能進一步了解固定和移動的轉子組件如何影響產品設計，並計算臨界速度、固有頻率和振型。在下一節中，我們將深入探討一些具體的優點和功能。

為什麼要使用「轉子動力學模塊」？

「轉子動力學模塊」的突出優勢之一是其出色的靈活性。你可以輕鬆地自定義模擬分析，方便地研究旋轉裝配或整個結構的特定組成部分。

上述操作的第二項可通過「轉子動力學模塊」的實心轉子 介面來實現，在有限元建模中，此介面使用三維 CAD 幾何表示轉子和實體單元。你可以通過研究旋轉裝配中的所有組件來生成最精確的結果。在分析轉子的應力和變形時，你不需要去模擬整個系統，這樣會提高模擬的精度。為了計算整個域中的應力分布和變形場分布，你必須將轉子模擬為實心單元。

使用此介面時，你還能引入非線性幾何效應，充分描述幾何的不對稱性，解釋旋轉軟化效應和應力鋼化效應等現象。

使用了 實心轉子介面的曲軸模型，此模型用於分析軸承潤滑層中的壓力分布以及 von Mises 應力。

如果你希望降低模型的計算成本，該怎麼辦呢？梁轉子 介面為旋轉機械建模提供了一種計算效率更高的方式。在這個介面中，轉子被定義為一條沿轉子軸的邊，其他旋轉機器組件的定義方式是在各自的位置上創建點。

研究旋轉機械的基礎和軸承

此模塊的另一個優點是簡化了轉子系統中兩個關鍵單元——基礎和軸承的建模過程。首先，基礎被劃分成三個不同的建模選項:

固定基礎，即不會顯著影響轉子響應的基礎
移動基礎，即會經受外部振動的基礎和軸承
柔性基礎，即由於自身柔性而影響轉子臨界轉速的基礎

液體動壓軸承中的壓力模型。

安裝在基礎上方的組件便是軸承。首先介紹軸頸軸承，在「轉子動力學模塊」中你可以通過兩種方式模擬軸頸軸承:

使用進行了一定近似處理的集總模型
模擬整個液體動壓軸承，包括詳細分析潤滑壓力和潤滑油流

上述第二種方式利用了三個不同的介面，其中液體動壓部分使用完整的雷諾方程計算。液體動壓軸承 介面詳細地模擬了軸頸軸承的性能，並且針對軸頸和軸套之間的潤滑油提供了一種簡易的模擬方法。實心轉子與液體動壓軸承 和梁轉子與液體動壓軸承 介面都可以分析轉子、液體動壓軸承以及二者間的相互作用。不過顧名思義，前者使用實體單元來描述轉子，後者使用梁來定義近似處理後的轉子。

如果你有興趣模擬推力軸承，「轉子動力學模塊」為你準備好了一切。此模塊包括三種類型的推力軸承及其特徵：無間隙軸承、軸承剛度和阻尼係數，以及軸承力和力矩。

選擇豐富的研究範圍和繪圖類型

利用上文介紹的特徵和功能，你可以根據具體需求來設計模型。這還不是全部：「轉子動力學模塊」提供了更多自定義特徵，包括多種可選的研究類型。

利用給定的研究類型，你可以輕而易舉地模擬陀螺效應；與此同時，振動效應是從共轉觀察者的角度來模擬的。為此，我們使用了與轉子同步旋轉的坐標系，因此無需實際旋轉轉子就能模擬裝配，建模流程得到了簡化。在共轉框架中建模時，可以對旋轉系統執行特徵頻率分析；如果在固定空間框架中觀察系統，旋轉會呈非線性，故無法進行特徵頻率分析。適用於靜態分析和動態分析的可選研究類型包括: