ANSYS Workbench 转子动力学：单盘转子临界转速

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：

• 临界转速

• 通过临界转速的状态

• 动力响应

• 动平衡

• 转子稳定性

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；

【第七步】求解选项设置；考虑阻尼;

【第八步】定义转动角速度；

【第九步】添加坎贝尔图；

【第十步】求解；

 

【第十一步】查看坎贝尔图，可以获取各阶临界转速；

【第十二步】查看各阶振型；

通过以上分析，完成了单盘转子转子动力学初步分析并获取了转子各阶临界转速及其振型。