基于ANSYS的單盤轉(zhuǎn)子的諧響應分析

1 引言
隨著旋轉(zhuǎn)機械向大型化、高速化、集成化和自動化方向發(fā)展,其運行的穩(wěn)定性和安全可靠性在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟中的重要性日益突出。據(jù)有關文獻報道,旋轉(zhuǎn)機械在研制階段或在使用過程中,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)的振動問題。航空發(fā)動機出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象多與整機振動有關,經(jīng)常是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速點沒有分配好,支承點的位置選取不當?shù)仍斐?例如WP6, WP7系列發(fā)動機曾多次出現(xiàn)渦輪軸后錐段疲勞斷裂。此外某些發(fā)動機中還出現(xiàn)了蓖齒密封組件疲勞斷裂,空氣導管屈曲,振動損壞等?？梢哉f在發(fā)動機發(fā)展階段常常遇到的是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動問題,其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的振動過大又是一個突出的問題。
為了使轉(zhuǎn)子工作平穩(wěn),避免發(fā)生共振,對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)分析成為轉(zhuǎn)子動力學研究的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學分析采用傳遞矩陣方法進行,由于將大量的結構信息簡化為極為簡單的集中質(zhì)量—梁模型,不能確保模型的完整性和分析的準確度。有限元在處理轉(zhuǎn)子動力學問題時,可以很好地兼顧模型的完整性和計算的效率,但多年來轉(zhuǎn)子的“陀螺效應”一直是制約轉(zhuǎn)子動力學有限元分析的“瓶頸”問題。ANSYS軟件很好地解決了動力特性分析中“陀螺效應”問題,而且陀螺效應的考慮不受計算模型上的限制,使得轉(zhuǎn)子動力學有限元分析變得簡單高效。本文利用ANSYS的轉(zhuǎn)子動力學計算功能對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行模態(tài)分析。
2 模型的建立與求解
如圖1所示,給出了單盤轉(zhuǎn)子的力學模型,且在轉(zhuǎn)子的兩端是軸承支撐。表1給出了其計算的相關計算參數(shù)。

圖1 單盤轉(zhuǎn)子的力學模型

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為點單元,具有x,y,z位移與旋轉(zhuǎn)的6個自由度,不同質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量可分別定義于每個坐標系方向。圖3給出了Beam188 單元的幾何簡圖。Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構,該單元基于鐵木辛哥梁結構理論,并考慮了剪切變形的影響。
Beam188是三維線性(2 節(jié)點)或者二次梁單元。每個節(jié)點有六個或者七個自由度,自由度的個數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當KEYOPT(1)=0(缺省)時,每個節(jié)點有六個自由度;節(jié)點坐標系的x、y、z 方向的平動和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動。當KEYOPT(1)=1 時,每個節(jié)點有七個自由度,這時引入了第七個自由度(橫截面的翹曲)。這個單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動和/并非線性大應變問題。
當NLGEOM 打開的時候,beam188 的應力剛化,在任何分析中都是缺省項。應力強化選項使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題(用弧長法)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單元的幾何簡圖。COMBI214是專門用來模擬軸承力學性質(zhì)的單元,可以考慮拉壓,但不能考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)。這個彈簧阻尼單元沒有質(zhì)量,如果需要質(zhì)量則通過添加MASS21單元來實現(xiàn)。

表3 2號軸承的計算參數(shù)