转子是各种转动机械中转动部件的力学通称。转子动力学是一门应用性学科,它研究转子的各种动力学特性和动力学现象,是转动机械动力学问题的核心内容。主要研究转子-支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性的问题,尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。转子是涡轮机、电机等旋转式机械中的主要旋转部件。
转子动力学的研究内容主要有以下5个:
常用术语:
陀螺效应——重力对高速旋转中的陀螺产生的对支撑点的力矩不会使其发生倾倒,而发生小角度的进动。此即陀螺效应。一言以蔽之,就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡,重力的作用与离心力相比已变得不值一提了。大家如果玩过陀螺就会知道,陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动,这就是进动。 简单来说,陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向(旋转轴的方向)的惯性。
涡动——转子正常的旋转也包含了涡动的概念。例如在不平衡力矩作用下,转轴发生挠曲变形,转轴一方面绕其自身轴线自转,另一方面绕静平衡位置公转,此时转轴的运动实际上是两种运动的合成。一种是转轴绕其轴线的定轴转动,转动角速度就是旋转速度w;另一种则是变形的轴线绕其静平衡位置的空间回转,回转角速度仍然是w,后一种的回转运动就是涡动。
临界转速——转动系统中转子各微段的质心不可能严格处于回转轴上,因此,当转子转动时,会出现横向干扰,在某些转速下还会引起系统强烈振动,出现这种情况时的转速就是临界转速。临界转速和转子不旋转时横向振动的固有频率相同,也就是说,临界转速与转子的弹性和质量分布等因素有关。对于具有有限个集中质量的离散转动系统,临界转速的数目等于集中质量的个数;对于质量连续分布的弹性转动系统,临界转速有无穷多个。了解临界转速的目的在于设法让压缩机的工作转速避开临界转速,以免发生共振。通常,离心压缩机轴的额定工作转速n或者低于转子的一阶临界转速,n1,或者介于一阶临界转速n1与二阶临界转速n2之间。前者称作刚性轴,后者称作柔性轴。
刚性轴要求: n ≤ 0.7n1;柔性轴要求: 1.3nl≤n≤0.7n2.
坎贝尔图——就是监测点的振动幅值作为转速和频率的函数,将整个转速范围内转子振动的全部分量的变化特征表示出来,在坎贝尔图中横坐标表示转速,纵坐标表示频率,其中强迫振动部分,即与转速有关的频率成分,呈现在以原点引出的射线上,振幅用圆圈来表示,圆圈直径的大小表示信号幅值的大小,而自由振动部分则呈现在固定的频率线上。
远端位移——Remote displacement 可以进行位移和角度旋转的同时加载;Remote displacement的作用原理为使用MPC接触对进行控制,即在remote displacement作用位置上产生接触单元,作用点上产生一个控制功能的节点,远端位移通过约束节点,然后将约束的具体数值分配给作用位置上。
下面通过案例来一起学习一下ANSYS求解单盘转子临界转速。
【案例】ANSYS求解单盘转子临界转速
【第一步】建立几何模型如下图所示;模型的建立不再赘述,为了优化网格,将模型划分为多个bady并放入同一个part里,同时将轴承位置的柱面切分出来;
【第二步】选中connections,右键选择insert—bearing;
【第三步】轴承接触设置;选择轴承旋转平面—定义轴承刚度—定义轴承阻尼—选择轴承位置—定义为柔性行为
【第四步】定义另一个轴承;
【第五步】网格划分;由于已经切分好,所有bady可扫略,故采用sweep method划分网格;圆盘可通过映射面提高网格规整性;
【第六步】施加远端位移约束;故还需限制X向平动和绕X轴转动;
同样方法,施加另一个远端位移约束;
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