转子动力学专题：理论与案例结合分析

转子动力学专题

1、转子动力学常识

1.1、转子动力学简介：

1）研究轴对称旋转结构的振动特性；运转时，多表现出转动惯量的影响（回转力矩）随着转速的增加，作用在转子上的回转力矩明显增加；

2）应该考虑轴承刚度、支承结构的柔性（约束），另外整体阻尼特性是保持振动转子稳定性的重要因素。

3）陀螺效应矩阵[G]与转动速度有关（或与结构中多个部件的转动速度有关），是转子动力学分析主要要考虑的项，这个矩阵是转子动力学分析所特有的，按一定的规则确定。

4）转子动力学的求解与一般的ANSYS求解一样，但要注意，转子动力学矩阵（轴承矩阵也一样）是非对称的。可以进行模态分析、谐波响应分析和瞬态分析

5）单独进行模态分析可以了解稳定性，（某几个模态不稳定，代表该几个模态频率对应的转速下容易出现不稳定转动/抖动？）根据Campbell图得到临界转速；

6）谐波响应分析可以得到同步或非同步激励的响应

7）瞬态分析可以研究结构在瞬态载荷（如1G的冲击）下的响应，或如一个轴状零件和相关部件在启动和停止时的情况；

1.2、一些命令

1）临界参数；部件分别施加旋转速度时无法插入campbell图片怎么命令输出临界转速？可以用 POST1 和POST26来观察结果，有一些特殊的命令：POST1中画Campbell图用PLCAMP、PRCAMP，响应动画用ANHARM，画轨迹用PLORB,PRORB

转子动力学分析中用到的命令：

3、 转子动力学术语

以下词组描述了转子动力学的有关现象：

·陀螺效应

·涡动

·椭圆轨道

·稳定性

·临界速度

·临界速度图

3.1 陀螺效应

对于绕轴Δ转动的结构，如果在一个与Δ垂直的轴方向加一个转动运动（进动），就会出现一个反作用力矩，这个反作用力矩就是陀螺力矩，它的轴垂直于转轴Δ和转动运动的轴。

陀螺矩阵的自由度在与转轴相垂直的平面内，陀螺矩阵[G]是斜对称矩阵。

3.2 涡动

当一个旋转结构以共振频率振动，转动轴上的一点会在一根轨道上运动，称之为涡动，绕轴旋转的方向如果与转动速度方向相同，称之为向前涡动（FW），反之称为向后涡动（BW）；

模态分析后（ ccompa.mac ）在POST1中，使用ANHARM命令可获得模态动画，并可观察到轴的涡动情况。输入如下：

/POST1

set,6,3 ! read load step 6, substep 3

plnsol,u,sum ! specify the results to be animated  

anharm

3.3 椭圆轨道

在旋转轴上节点的稳定的运动轨迹（也称之为迹线）通常多是椭圆，它的特征描述如下：

在一个局部坐标系xyz中（x是转轴），节点I的椭圆由以下参数定义：半轴A，半轴B，相角ψ (PSI)。如图2.1所示：

图2.1 椭圆轨道

φ (PHI)定义了节点的初始位置（t＝0），为比较结构中二个节点的相位，可以看ψ + φ的值YMAX 和 ZMAX为在y轴和z轴方向的最大位移。

3.4 稳定性

在一个旋转结构的自激励振动中，振动幅值随时间而增加，如图2.2所示。

图2.2不稳定性

如果这样的不稳定性没有被预测到，设备就会有破坏的危险。

通常的不稳定性来源有：

·轴承特性（特别是非对称交叉项）

·内部转动阻尼（材料阻尼）

·转动部件与固定部件的接触

3.5 临界速度

临界速度是对应于共振频率的的转速，当激励频率达到固有频率时就出现临界转速，激励可能来自于不平衡（与转速同步），或来自不同步的激励。

在Campbell图上计算频率曲线和激励的交点，由此得到临界速度

3.6 临界速度图

设计转子时，了解轴承刚度对临界转速的影响很重要，临界转速图可以显示临界转速随轴承刚度的变化。为了直接生成这个图，直接对不同的轴承刚度求解方程2-4定义的特征值问题，计算时不考虑阻尼。见例9临界转速图生成；

4、后处理

动画、轨迹、支反力、坎贝尔图；

2、转子动力学【58要求及应对方案】

1、经典界面的案例见帮助文档：APDL下的Chapter 7: Rotordynamic Analysis Examples；

2、WB案例见housing，V17版本可以求解，一通百通；

案例1、转子系统计算模型的简化处理方法；

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