轉子動力學分析得到的軸承潤滑中的壓力分佈(彩色圖)、von Mises 應力(藍色圖)以及軸承位移(軌道圖)。
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轉子動力學模擬

在汽車、航太、發電機設備、電氣產品和家用電器等涉及到旋轉機械設計的應用領域中,轉子動力學分析極其重要。旋轉電機的物理行為受振動影響很大,而電機本身的旋轉和結構又會帶來振動的加劇。完全對稱的轉子組件隨不同轉速會表現出不同的固有頻率,而誤差和不平衡衡則會以復雜的方式激發這些頻率。在設計帶有旋轉零件的機械設備時,我們需要有效的分析這些行為,以優化旋轉機械的運行和性能。

 

轉子動力學模組對結構力學模組的功能進行了擴展,可用於分析旋轉機械的橫向和扭轉振動效應,以研究轉子振動,並將其控制在可接受的設計範圍內。模組可計算包括臨界速度、旋轉、自然頻率、穩定性門檻、轉子因質量不平衡而產生的穩態和暫態響應等眾多設計參數,還可以分析由旋轉行為導致的轉子內部應力,以及施加在旋轉電機其他零件上的額外負載和振動。

透過轉子動力學模組,您可以分析如圓盤、軸承和基座等固定和移動轉子組件的影響,還可以直接在軟體環境中輕鬆地對結果執行後處理,透過坎貝爾圖(Campbell diagrams)、模態軌道(modal orbits)、諧波軌道(harmonic orbits)、瀑布圖(waterfall plots)及旋轉圖(whirl plots)呈現計算結果。

 

廣泛分析轉子和液體動力軸承的建模工具

利用COMSOL Multiphysics®模擬平台及其外掛模組,您可以使用一系列稱為物理場介面的預定義建模工具,這些介面可分別用於特定的分析領域。轉子動力學模組提供五個專用的物理場介面,可用於對轉子和軸承精確建模:

 

1.  實體轉子介面可基於由CAD軟體或使用COMSOL Multiphysics® 的內置CAD功能製作

的三維幾何模型來針對轉子建模。

2.  樑轉子介面用於對轉子進行近似建模,這類轉子包含一維樑以及作為點的隨附組件。

3. 液體動力軸承介面用於對包含潤滑油膜的軸承進行詳細建模。

4. 實體轉子與液體動力軸承介面用於對三維轉子、液體動力軸承以及兩者之間的相互作用

進行組合建模。

 

5. 樑轉子與液體動力軸承介面用於對轉子(定義為樑)、液體動力軸承以及兩者之間的

相互作用進行組合建模。

 

使用轉子動力學模組中的多物理場耦合功能,可以將液體動力軸承介面中的物理場與樑轉子和實體轉子介面中的物理場進行耦合,捕捉油膜渦動和振盪效應。

 

此外,還可以將轉子動力學模組與COMSOL®產品套裝中的其他模組結合使用,進行多物理場模擬。這意味著您可以檢查其他類型的物理場如何對轉子動力學設計產生影響。例如,透過結合使用轉子動力學模組與多體動力學模組,您可以執行暫態模擬來預測齒輪傳動的轉子組件在承受外加扭矩時的振動情況。

準確分析完整的旋轉機械組件

為了準確地描述旋轉機械組件,需要能夠考慮其所有構件。透過轉子動力學模組中的實體轉子介面,可以使用最通用的傳統有限元分析進行建模。其中,轉子透過三維幾何來表示,並使用相應的實體單元來描述轉子組件。

在實體轉子介面中,可以精確包含幾何不對稱、不平衡以及非線性幾何效應,還可以分析軸承頸和配件變形帶來的影響,考慮陀螺效應,並捕捉旋轉軟化和應力剛化效應等。當您需要獲取轉子及其組件中的變形和應力的模擬結果時,此介面最為有用。

 

應用樑單元進行高效率的轉子動力學模擬

如果要執行計算上較省資源的分析,可以使用轉子動力學模組中的樑轉子介面。透過此介面,可以使用樑單元僅對轉子軸向建模,基於線性Timoshenko樑理論,進行近似模擬。透過轉子動力學模組提供的方程,可以將轉子動力學分析的軸向、彎曲和扭轉分量區分開來。還可以在樑的多個點上添加圓盤,用來表示轉子上的各個組件或基座,也可以將這些零件指定為與轉子保持一定的偏移。組件可以包括飛輪、滑輪、齒輪、葉輪及轉子葉片組件等等。使用樑轉子介面,可以精確模擬長細比高達0.2 的轉子變形。轉子橫向的資訊根據樑的相關屬性(例如,橫截面表面積和慣性矩)來指定。使用此介面時,通常假設樑的橫截面尺寸比轉子的軸向長度小得多,以忽略轉子的橫截面變形。在這種情況下,轉子作為一系列圓盤和樑進行建模。

 

轉子組件設計中對整體軸承和基座建模

軸承和基座是轉子組件的重要組件,用於將轉子與周圍的零件連接起來。由於轉子系統響應對軸承或基座的類型非常敏感,因而需要準確的描述軸承和基座。轉子動力學模組中的專用介面和功能使得這些組件的定義變得非常簡單。

 

軸頸軸承

由於軸承頸的長度有限,軸頸軸承將軸承頸的平移運動限制在橫向,並將旋轉限制為繞兩個橫軸進行。軸頸軸承建模可以使用兩個選項:作為完整的液體動力軸承進行建模,包含潤滑的壓力和流動的詳細描述;或者使用集總模型來近似處理。

 

集總模型

透過集總模型,可以在轉子動力學模組中模擬以下種類的軸頸軸承及其行為:

 

無間隙軸承

 · 這些軸承非常堅硬,因此,軸承頸在軸承中的運動非常小,不會影響轉子的總體響應。

 

平面液體動力軸承

· 該軸承模型基於Ocvirk理論,在轉子軸承頸上可近似為彈簧減震器系統,其動力勁度和阻尼係數可為已知或者未知。如果未知,可以根據軸承頸在軸承中的運動計算得出

軸承勁度和阻尼係數

· 此模型使用彈簧減震器系統,系統包含轉子橫向的兩個平移勁度和阻尼係數,以及橫向的

兩個旋轉勁度及對應的阻尼係數。可以透過實驗或計算機模擬來得到這些參數值,也可以

根據軸承頸運動的數據查表求得。

 

軸承力和力矩

· 除了模擬軸承,還可以透過實驗數據或根據軸承頸的運動對軸承頸直接施加反作用力

和力矩。

 

液體動力軸承

可以使用液體動力軸承介面對軸頸軸承的行為進行詳細建模。該介面包含預定義的物理場,透過求解雷諾方程可以輕鬆模擬軸承頸與軸套之間的潤滑油膜。

 

此介面可用於分析軸頸軸承及其勁度和阻尼特性,還可與實體轉子或樑轉子介面耦合,來模擬完整轉子組件的動力學特性。上述介面中內置了一系列液體動力軸承模型,包括:

 

· 平面軸承

· 橢圓軸承

· 對開軸承

· 多瓣軸承

· 斜墊軸承

· 用戶自定義

 

推力軸承

·   力軸承可限制轉子的軸向運動,以及轉子繞橫軸的旋轉。通常可使用集總參數模型模擬這種軸承,在“轉子動力學模組”中,包括以下幾種模型:

無間隙軸承

·此模型完全限制轉子的軸向運動,以及轉子繞兩個橫軸的旋轉;適用於軸承效應對轉子

組件的動力學影響不大的情況。

軸承勁度和阻尼係數

· 此模型基於彈簧減震器系統,系統參數包括沿轉軸的一個平移勁度係數和阻尼係數,以及橫向的兩個旋轉勁度係數及其對應的阻尼係數。這些參數可以透過實驗或模擬分析獲得,也可以透過輸入與軸環運動相關的數據表,由軟體自動查表獲取。

軸承力和力矩

· 此模型並不模擬軸承,而是根據實驗數據或根據軸環的運動,直接指定對軸環施加反作用力

和力矩。

 

基座

·       軸承基座是放置軸承的結構組件,轉子組件中的基座可模擬為:固定基座其軸承運動是剛性的,不會顯著影響轉子響應。移動基座其基座和軸承運動受外部振動影響,可透過數據、方程、函數,以及其他COMSOL Multiphysics® 專業模組的求解結果來描述此效應。

 

彈性基座

· 彈性基座可以改變轉子的臨界速度,當基座的等效勁度已知時,軟體會自動識別此效應。

 

多項研究類型提供多種分析方式

借助轉子動力學模組提供的一系列研究類型,您可以透過適用於轉子動力學現象特性的不同分析技巧來正確分析轉子組件的動力學。

 

轉子動力學模組可供您解釋陀螺效應,包括框架加速度力。在該模組中,可以使用與轉子同步旋轉的坐標系,從共轉觀察者的角度對振動效應建模。由於您無需知道轉子的實際物理旋轉就能模擬組件,因此簡化了建模流程。

 

從共轉框架的角度來看,對穩態與動態力的傳統直覺已不再適用。在轉子動力學分析中,慣性效應可以顯示為穩態力,而在傳統分析中為穩態的重力,則從共轉框架的角度顯示為動態正弦變化的力。如此一來,穩態研究在轉子動力學中的解釋與傳統分析中的不同。

 

轉子的振動模式將在轉子的旋轉方向(正向旋轉)或相反方向(反向旋轉)的軌道中傳播。這種現象可以透過各種特徵頻率和頻域研究來分析,也可以使用時域研究執行完整的暫態分析來進行。

 

在轉子動力學模組中,可以使用以下研究類型進行靜態和動態分析:

 

穩態研究

· 適用於共轉框架中的不顯著更改其大小和方向的情況,或者轉子材料模型中不存在時間相關性的情況,例如粘彈性和潛變。可以使用遍及不同參數的穩態研究和步進來分析參數化研究,例如轉子在不同質量偏心率時的行為。

徵頻率研究

· 求解無阻尼系統和阻尼系統的固有頻率及對應的振型,即使在轉子不完全約束的情況下也

同樣適用。可以使用特徵頻率研究節點,透過對一系列轉子角速度多次重複執行特徵頻率

分析,來確定轉子的穩定操作範圍和臨界速度。

 

頻域研究

· 從共轉框架中觀察時,如果所有負載均為時諧負載,則計算轉子的響應。

時域研究

· 適用於不能忽視由不平衡引起的慣性效應及其相對於共轉框架發生適時變化的情況。

FFT的暫態研究

· 對轉子的角速度執行參數化掃描,同時包含時域模擬及後續的快速傅立葉轉換 (FFT)。由於此研究類型的計算量很大,因此主要用於當轉子變形對確定轉子組件的總體動力學起重要作用的情況。

專業繪圖類型可更好的呈現轉子動力學分析結果

透過轉子動力學模組,可以為模擬結果創建清晰簡潔的可視化效果,並使數據可供進一步使用和分析。在該模組中,可以從特定於轉子動力學應用的各種繪圖類型中進行選擇,包括:

 

· 旋轉圖(模態):繪製轉子在離散旋轉間隔繞轉子軸的模態。

· 坎貝爾圖:繪製轉子自然頻率相對於轉子轉速的變化情況。

· 瀑布圖:繪製頻譜隨轉子角速度增加而發生的變化。

· 軌道圖:繪製轉子某些點(例如圓盤和軸承的位置)上的位移。