基于ANSYS的單盤轉(zhuǎn)子的諧響應(yīng)分析

1 引言
隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向大型化、高速化、集成化和自動(dòng)化方向發(fā)展,其運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全可靠性在工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性日益突出。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,旋轉(zhuǎn)機(jī)械在研制階段或在使用過(guò)程中,其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障經(jīng)常出現(xiàn)。這些故障有許多涉及到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題。航空發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象多與整機(jī)振動(dòng)有關(guān),經(jīng)常是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)沒(méi)有分配好,支承點(diǎn)的位置選取不當(dāng)?shù)仍斐?例如WP6, WP7系列發(fā)動(dòng)機(jī)曾多次出現(xiàn)渦輪軸后錐段疲勞斷裂。此外某些發(fā)動(dòng)機(jī)中還出現(xiàn)了蓖齒密封組件疲勞斷裂,空氣導(dǎo)管屈曲,振動(dòng)損壞等?？梢哉f(shuō)在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展階段常常遇到的是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題,其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的振動(dòng)過(guò)大又是一個(gè)突出的問(wèn)題。
為了使轉(zhuǎn)子工作平穩(wěn),避免發(fā)生共振,對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)分析成為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析采用傳遞矩陣方法進(jìn)行,由于將大量的結(jié)構(gòu)信息簡(jiǎn)化為極為簡(jiǎn)單的集中質(zhì)量—梁模型,不能確保模型的完整性和分析的準(zhǔn)確度。有限元在處理轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí),可以很好地兼顧模型的完整性和計(jì)算的效率,但多年來(lái)轉(zhuǎn)子的“陀螺效應(yīng)”一直是制約轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元分析的“瓶頸”問(wèn)題。ANSYS軟件很好地解決了動(dòng)力特性分析中“陀螺效應(yīng)”問(wèn)題,而且陀螺效應(yīng)的考慮不受計(jì)算模型上的限制,使得轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元分析變得簡(jiǎn)單高效。本文利用ANSYS的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。
2 模型的建立與求解
如圖1所示,給出了單盤轉(zhuǎn)子的力學(xué)模型,且在轉(zhuǎn)子的兩端是軸承支撐。表1給出了其計(jì)算的相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

圖1 單盤轉(zhuǎn)子的力學(xué)模型

本文采用MASS21模擬轉(zhuǎn)子,采用Beam188模擬轉(zhuǎn)軸;采用COMBI214模擬軸承。MASS21為點(diǎn)單元,具有x,y,z位移與旋轉(zhuǎn)的6個(gè)自由度,不同質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可分別定義于每個(gè)坐標(biāo)系方向。圖3給出了Beam188 單元的幾何簡(jiǎn)圖。Beam188單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu),該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論,并考慮了剪切變形的影響。
Beam188是三維線性(2 節(jié)點(diǎn))或者二次梁?jiǎn)卧?。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度,自由度的個(gè)數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當(dāng)KEYOPT(1)=0(缺省)時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度;節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z 方向的平動(dòng)和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT(1)=1 時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度,這時(shí)引入了第七個(gè)自由度(橫截面的翹曲)。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和/并非線性大應(yīng)變問(wèn)題。
當(dāng)NLGEOM 打開的時(shí)候,beam188 的應(yīng)力剛化,在任何分析中都是缺省項(xiàng)。應(yīng)力強(qiáng)化選項(xiàng)使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問(wèn)題(用弧長(zhǎng)法)分析特征值屈曲和塌陷)。
Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型(不考慮橫截面子模型)。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組和截面。
圖4給出了COMBI214單元的幾何簡(jiǎn)圖。COMBI214是專門用來(lái)模擬軸承力學(xué)性質(zhì)的單元,可以考慮拉壓,但不能考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)。這個(gè)彈簧阻尼單元沒(méi)有質(zhì)量,如果需要質(zhì)量則通過(guò)添加MASS21單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表3 2號(hào)軸承的計(jì)算參數(shù)