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1、基于A N S Y S 的转子动力学分析5 3 5基于A N S Y S 的转子动力学分析马威猛王建军(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京，1 0 0 1 9 1)摘要：本文对A N S Y S 的转子动力学计算功能及理论基础进行说明，在此基础上通过一个简单算例将A N S Y S 实体单元建模获得的转子临界转速与集中参数模型所得的结果进行对比，验证了实体单元分析的有效性。最后通过一个复杂实例说明转子动力学实体单元建模的应用。关键词：转子动力学；A N S Y S；实体建模A b s t r a c t：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb
2、a s i ct h e o r ya n dr o t o rd y n a m i ca n a l y s i sc a p a b i l i t i e so fA N S Y S T h ev a l i d i t yo ft h es o f t w a r ei st e s t e db yc o m p a r i n gt h er e s u l t sg a i n e dr e s p e c t i v e l yf r o ms o l i dm o d e la n dl u m p e dp a r a m e m rm o d e lo fas i m
3、p l er o t o r F i n a l l y。t h ea p p l i c a t i o no ft h es o l i dm o d e l i n gr o t o rd y n a m i ca n a l y s i si si l l u s t r a t e du s i n gac o m p l e xe x a m p l ep r o b l e m K e yW o r d s：R o a rD y n a m i c s；A N S Y S；S o l i dM o d e l i n gl引言旋转机械被广泛地应用于燃气轮机、航空发动机、工业压缩机
4、以及各种电动机等装置中，研究转子系统的动力学特性对旋转机械设计、制造、故障诊断、延寿等具有重要的意义。在进行转子动力学分析时，人们期望建立分析对象的高保真模型，减少计算模型与实际问题的差异，获得原物理问题的准确结果。长期以来，转子动力特性计算的解析法、传递矩阵法、基于梁单元的有限元法2 1 等分析方法，在建立计算模型时均对实际转子系统做出相当程度的简化，这导致计算模型与实际问题产生较大的差异，并且其分析对象和分析能力有限，无法对复杂转子结构进行有效的分析；而利用实体单元建模的有限元法则可以对多种复杂转子结构进行高保真模拟，并考虑各结构间的动力影响，分析计算更加接近实际。通用有限元程序A N S
5、 Y S 在其1 I 0 版本中推出了转子动力学计算的功能模块，可以对转子系统进行实体建模，并考虑实体模型在转动状态下产生陀螺力矩时的动力特性。本文通过对A N S Y S11 0 转子动力学分析功能及其理论基础的介绍来说明用实体单元建模在复杂转子系统的动力特性分析中的新应用和进展。文中采用一个简单的算例验证了A N S Y S 采用实体建模的转子动力学分析的有效性；之后通过一个复杂转子系统模型来说明实体单元建模对转子动力学分析范围的扩展及分析能力的提升。5 3 6现代振动与噪声技术(第8 卷)2A N S Y S 实体单元转子动力学分析在A N S Y S 中采用三维实体单元建立转子系统的模
6、型之后，可以通过C O R I O L I S 命令使其在计算中考虑陀螺力矩的影响。A N S Y S 帮助文件中给出了转子动力学的一般有限元方程【3 1 朋 t 五，+(c +【C。，】)五，+(【K】一【鼻，5 口i。】)u，=，)(1)其中：【加、【C】、【捌分别是质量、阻尼、刚度矩阵，【C。】是哥氏力矩阵，【K。i。】反映旋转坐标系下的旋转软化效应。c。=2J 7 E N p d V,(2)以其中r0一，y =l；0一，l(3)【一，吐oJ方程(1)中的系数矩阵是由单元矩阵组集而成的整体矩阵【4】，从而也能够在实体单元建立的转子动力学模型中考虑科氏力的影响，对整个转子模型进行转子动力特
7、性分析。实体单元直接建模与集中参数模型相比有明显的优势。它可以构建轴、盘、叶片的复杂形状而不必将其简化为集中质量或分布力；在计算轴的振动特性的同时，还可以考虑盘一轴、盘一叶以及整机的耦合振动，分析结果更加接近实际情况。本文总结并给出了A N S Y S中梁单元与实体单元的转子动力学分析能力的对比，见表l。表1A N S Y S 粱单元与实体单元转子动力学分析能力特征粱实体静力否是模态是是分析类型谐响应是是稳定性是是简化程度大小建模保真度小大工作量小大陀螺效应是是能否考虑耦合否是3 应用实例(1)验证性算例对参考文献 5 中的简单转子模型进行计算分析，图l 所示为建立的实体模型，转子模型采用s
8、o f i d 4 5 单元建立，端部约束所有自由度，中间支撑处约束径向和周向自由度。材料属性由参考文献 5 给定。基于A N S Y S 的转子动力学分析5 3 7 N图1 单盘转于有限元模型计算求得该转子的第一阶l 陆界转速，表2 给H 了A N S Y S 与参考文献 5 所得结果的对比。表2 计算结果对比计算 阶临界转速(m i n)参考R 献 5】解析(影响系数)枣考女献【5】“A N S Y S 镕由表2 的结果町以看出，A N S Y S 吏体单元建模的计算结果与经过假设和简化处理的影响系数法相比，更加接近试验结果。在分析简单模型时采用寅体单元建模分析计算的有效惟得到验证。(2)
9、扩展性算例图2 所示为转子结构复杂，难以将其简化为有效的集中参数模型同时，其支撑跨距短，在转子振动分析中盘的振动形式不容忽视。采用粱单元建模显然不能满足分析计算的需要，而采用文体单元建模则可以很好地解决此类分析问题。嘲2 转于结构州意罔现代振动与噪声技术(第8 卷6 。图3 是本文建立的转子实体有限元模型。对该转子振动特性的讨论可参见参考文献4 结论图3 转子系统的有限兀模型本文对A N S Y S 中的实体单元转子动力学分析功能及其理论基础进行了介绍，并对A N-S Y S 中基于梁单元和实体单元的转子动力学分析能力进行了对比。本文中的验证性算例说明了采用实体单元对转于建模计算的准确性和有效
10、性；扩展性算例则说明了实体单元建模在转子动力特性分析中的应用和扩展。参考文献晏砺堂，朱梓根，宋兆磁等结构系统动力特性分析 M 北京：北京航空航天大学出版社1 9 8 9晏砺堂，朱梓根李其汉高速旋转机械振动 M 北京：国防T 业出版社，1 9 9 4R e l e a#l J0D o e u 眦n t a t i o nf o rA N S Y S A N S Y SC o r p王勖成有限单元法【M】北京：清华大学出版社，1 9 9 7秦然张建伟转子临界转速的求解方法比较 J】沈阳化工学院学报，2 C 0 7，1(2 1)弓威猛，基于A N S Y S 的叶盘转于系统有限元分析 D 北京：北京航空航天大学，2 0 0 9作者简介：马威譬(1 9 8 7 一)，男，在读博士研究生。基于ANSYS的转子动力学分析基于ANSYS的转子动力学分析作者：马威猛，王建军作者单位：北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京,100191 本文链接：http:/