ansys 12 1 1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Роторная динамика в ANSYS 12 . 1 Теория. Часть 1 PowerPoint Presentation
Download Presentation
Роторная динамика в ANSYS 12 . 1 Теория. Часть 1

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 62

Роторная динамика в ANSYS 12 . 1 Теория. Часть 1 - PowerPoint PPT Presentation


  • 1779 Views
  • Uploaded on

Роторная динамика в ANSYS 12 . 1 Теория. Часть 1. Кабанов Юрий Yuriy.Kabanov@cadfem-cis.ru CADFEM CIS. Расчет собственных частот и форм колебаний сложного составного вала . Такого вида расчета по классификации ANSYS WB2.0 относятся к разделу «Роторной динамики»

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Роторная динамика в ANSYS 12 . 1 Теория. Часть 1' - aiden


Download Now An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
ansys 12 1 1

Роторная динамика в ANSYS 12.1Теория.Часть 1

Кабанов Юрий

Yuriy.Kabanov@cadfem-cis.ru

CADFEM CIS

slide2
Расчет собственных частот и форм колебаний сложного составного вала

Такого вида расчета по классификации ANSYSWB2.0 относятся к разделу «Роторной динамики»

Типовые модели создаются на основе балочных элементов, аппроксимируя исходную геометрию 3D CAD моделей.

ANSYSWB2.0 развивает это направление в сторону использования полноценных 3D моделей. КЭ модели из объемных и оболочечных моделей.

slide3

y

x

z

подшипник

Ротор

Вал

подшипник

Постановка задачи роторной динамики
slide4
Постановка задачи роторной динамикиОсновные матричные уравнения

Эффект Кориолисаидисбаланспри ненулевом вращении:

slide5

y

Y’

r’

P’

P

r

X’

Вращающаяся СК

Rotating Frame

Z’

R

Стационарная СК

Stationary Frame

x

o

z

Системы координат, применяющиеся для задач роторной динамики

При вращении конструкции, исследуются силы инерции и моменты.

Для получения этих значений, можно рассматривать их вотносительной стационарной СК(stationary reference frame): глобальная декартовая (OXYZ) или вотносительной вращающейся системе координат (rotating reference frame) которая вращается вместе с конструкцией (O'X'Y'Z').

slide6
Стационарные и вращающиеся системы координат
  • Главное предназначение относительной стационарной системы координатstationary frame- это определение положения в пространстве вращающейся части конструкции rotating structure (rotor) относительно стационарных мест крепления конструкции(подшипников).
    • В случае рассмотрения этого процесса относительно стационарной системы координат, речь идет огироскопической матрице gyroscopic matrix.
  • Главное предназначение относительной вращающейся системы координатrotating frameэто описание динамики деформируемого тела (flexible body dynamics),где нет стационарных деталей, а все детали вращаются.
    • Относительно вращающейся системы координат определяется матрица Кориолиса (Coriolis matrix)для динамического анализа и силы Кориолиса(Coriolis force)для квазистатического анализа quasi-static analysis.
    • Для обоих видов анализа, эффектразупрочнения от вращения (spin softening)изменяет кажущуюся жесткостьконструкции.
slide7
Уравнения роторной динамики

Уравнение динамики во вращающейся системе координат

Coriolisforce:

Coriolismatrix:

Уравнение динамики в стационарной системе координат

Гироскопический момент:

ansys wb2 01
Задачи, решаемые роторной динамикойANSYS WB2.0
  • Расчеты роторной динамики:
    • Расчет недемпфированных критических скоростей
    • (Undampedcritical speed analysis);
    • Расчет дисбаланса отклика (Unbalance response analysis);
    • Расчет демпфированного собственного спектра
    • (Damped eigenvalueanalysis);
    • Анализ устойчивости (Stability analysis).
  • Область применения:
    • Расчет прогибов валов(Bending deflection of shafts)
    • Крутильные колебания (Torsional oscillations)
    • Несоосность оси ротора (Misalignments of rotor axis)
    • Балансировка вращающихся деталей (Balancing of rotating parts)
    • Осцилляции, вызванные гидродинамическими потоками
    • (Flow-induced oscillations with CFD).
slide10

Расчет в стационарной система координат

Расчет во вращающейся системе координат

Эффект Кориолиса
  • Задача вычисления гироскопического момента
  • В ANSYS гироскопический эффект моделируется совместным использованием в задаче угловой скорости (OMEGA или CMOMEGA) и команды CORIOLIS.
  • До появления ANSYS 10.0 непосредственных опций моделирования гироскопа, эффект учитывался только для элементов BEAM4 и PIPE16. Это делалось вводом вещественной константы “SPIN” или приложением вектора действующей силы, вычисленной с помощью команды OMEGA, а во вращающейся системе координат команды CGOMGA. См. пример VM131 для справки. Подчеркиваем, что команда CGOMGA задавалась во вращающейся системе координат в этом примере для вычисления возникающего гироскопической момента.
  • В ANSYS существуют два метода постановки гироскопической задачи.

1. Стационарная система координат – CORIOLIS,ON,,,ON

    • BEAM4, PIPE16, MASS21, BEAM188, BEAM189

(только круговые поперечные сечения)

2. Вращающаяся система координат – CORIOLIS,ON,,,OFF

    • SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187, BEAM188, BEAM189, SOLSH190
slide11
Эффект Кориолиса
  • Вращающаяся система координат –используется при вычислении динамических характеристик относительно гибких тел:
    • Не требует осессимметричной модели ( или циклической симметрии);
    • Может быть задана ТОЛЬКО ОДНА частота вращения;
    • Задание граничных условий и просмотр результатов расчета во вращающейся системе координат;
    • Используется в следующих видах анализа STATIC, MODAL, HARMONIC, TRANSIENT analyses, STATIC и TRANSIENT являются наиболее употребительными.
  • Стационарная система координат – как правило используется для задач роторной динамики:
    • Требует осесимметричныхконструкций;
    • Позволят вводить несколько частот вращения и не вращающиеся конструкции;
    • Задание граничных условия для детали ирезультаты задаются в стационарной системе координат;
    • Постпроцессинг в диаграммеКемпбела;
    • Используется в следующих видах анализа MODAL, HARMONIC и TRANSIENT ANALYSIS.

Модель в стационарной системе координат

Модель во вращающейся системе координат

campbell
Диаграмма Campbell
  • При расчете собственных частот и форм колебанийдля нескольких шагов нагружениясоответствующим разным угловым скоростямangular velocities ω, диаграммаCampbellпоказываетизменение собственных частот.
  • ANSYS определяетсобственные частоты (eigen frequencies)для каждого шага нагрузки(load step). В расчете собственных частот и форм колебанийзадаются шаги нагружениядля различных угловых скоростейω.
  • Команды:
  • PLCAMP,PRCAMP, CAMPB
    • PLCAMP: выводитдиаграмму Кэмпбелла (Campbell diagram);
    • PRCAMP: выводит частоты(frequencies)и критические скорости(critical speeds)
    • CAMPB: поддерживает Campbell для преднагруженных конструкций (prestressed structures)
campbell1

Круговое движение

  • Частоты разделены по возрастанию скорости вращения, ANSYS identifies:
    • forward (FW) and backward (BW) whirl
    • stable / unstable operation
    • критические скорости (PRCAMP)

y

x

Диаграмма Campbell

Эллиптическая орбита движения

slide14
Матрица гироскопа
  • Campbell Diagram – выводится после анализа с использованием решателя DAMP или QRDAMP, Campbell Diagram отображается через команду PLCAMP. Заметьте, что требуется вычисление комплексных форм колебаний:

MODOP,QRDAMP,5,,,ON

MXPAND,5

OMEGA,,,0

SOLVE

OMEGA,,,100

SOLVE

OMEGA,,,200

SOLVE

  • PLCAMP, Option, SLOPE, UNIT, FREQB
  • Option – Включает и выключает сортировку мод колебаний, это необходимо в случае их пересечения на диаграмме Кемпбелла
  • SLOPE – Рисуется наклон линии для определения критической частоты. Значение по умолчанию 1 соответствует 1 возбуждению на 1 оборот ротора, как в происходит к примеру в случае дисбаланса..
  • UNIT – RDS для радиан/секунда. RPM для обороты/минуту
  • FREQB – Начальная частота
  • Новая команда PRCAMPпозволяет записать полученную Campbell Diagram в файл вместе со значениями критических частот.
slide16
Роторная динамика

Роторная динамикас податливыми опорами

Диаграмма Кемпбела

slide17
Роторная динамика
  • Критические частоты
whirl orbit

Z

Ось вращения: x

B

Y

A

Ф

Вывод орбиты оси вращения Whirl Orbit
  • В плоскости перпендикулярной оси вращения spin axis, орбита вращения узла представляет собой эллипс node is an ellipse
  • Он определяется 3 характеристиками: полуосями эллипсаA & Bи фазой phase Ф
  • Когда конструкция вращается и присутствует Кориолисов Coriolis или гироскопический эффект gyroscopic, узлы, расположенные на оси вращениясовершают движение по эллиптической орбите.
  • Команда PLORB выводит орбитукаждого вращающегося узладля деформированной формы deformed shape для времниt = 0 (the real part of the solution).
  • Для вывода этих орбит для каждого узла, используются новые командыPRORB (print) иPLORB (plot) только для point и line element
whirl orbit1

Print orbit:PRORB

Plot orbit:PLORB

Параметры орбит вращения точек вала

Вывод орбиты оси вращения Whirl Orbit
bearing element combin214
Элементы, описывающие подшипники Bearing Element(COMBIN214)
  • 2D пружины/демпферы spring/damperвзаимосвязанными характеристикамиcross-coupling
  • REAL constants константы описывают коэффициенты жесткостиstiffnessи демпфированияdamping
  • REAL constantsконстанты могут быть заданы в виде таблиц table parameters для разных скоростей вращенияspin velocity
bearing element combin2141

! Пример табличного вводадля 3 угловых скоростей

omega1 = 0.

KYY1 = 1.e+4

KZZ1 = 1.e+7

omega2 = 250.

KYY2 = 1.e+5

KZZ2 = 1.e+7

omega3 = 500.

KYY3 = 1.e+6

KZZ3= 1.e+7

/com,Tabular data definition

*DIM,KYY,table,3,1,1,omegs

KYY(1,0) = omega1 , omega2 , omega3

KYY(1,1) = KYY1 , KYY2 , KYY3

*DIM,KZZ,table,3,1,1,omegs

KZZ(1,0) = omega1 , omega2 , omega3

KZZ(1,1) = KZZ1 , KZZ2 , KZZ3

et, 3, 214

keyopt, 3, 2, 1! YZ plane

r,1, %KYY%, %KZZ%

Tabular input forREALconstant

k = k (ω)

c = c (ω)

Элементы, описывающие подшипники Bearing Element (COMBIN214)
unbalance response
Дисбаланс откликаUnbalance Response
  • Возможные воздействия, вызванные скоростью вращенияrotation velocity  :
  • Дисбаланс Unbalance ()
  • НесоосностьCoupling misalignment (2* )
  • Blade, vane, nozzle, diffusers (s* )
  • Аэродинамическое возбуждение Aerodynamic excitations как в центробежных компрессорах centrifugal compressors (0.5* )
  • Некоторые силы forces могут вращаться синхронно rotate synchronously (например, дисбаланс unbalance) или асинхронно asynchronously с конструкцией.
  • В этих случаях, используется командаSYNCHROдля обновления амплитуды amplitude вектора скорости вращения(rotational velocity vector)для частотывозбуждения (frequency of excitation)для каждогошага частоты (frequency step)гармонического анализа(harmonic analysis).
unbalance response1
Дисбаланс откликаUnbalance Response
  • Команда SYNCHRO задаетбудет ли частота возбуждения(excitation frequency)синхронной(synchronous)или асинхронной (asynchronous)со скоростью вращения(rotational velocity)конструкциипри гармоническом расчете(harmonic analysis).
  • ANSYS вычисляет скорость вращения rotational velocity Ω конструкциидля частоты возбуждения excitation frequency f, заданной (командойHARFRQ) в виде Ω = 2πf / RATIO.
  • ЗначениеRATIOпо умолчанию 1.0, и возбуждающая сила дисбаланса unbalance excitation force (F = 2Ω * Unb) прикладывается к узлам.
  • Задавая значения дляRATIO, тем самымопределяете главную возбуждающую силу вращения(general rotational force excitation)и нетсилы дисбаланса unbalance force.
  • Команда SYNCHRO применима только для случая полного гармнического расчета full-solution harmonic analysis (HROPT,Method = FULL) включаявращение конструкции rotating structure с эффектамиCoriolisи отнсительностационарной системы координат stationary reference frame.
unbalance response2
Дисбаланс откликаUnbalance Response

Load vector

 фазовый угол phase angle силы (используется для нескольких сил, действующих в разных направлениях)

sкоэффициент частоты возбуждения(ratio of the frequency of excitation)и частоты вращения(frequency of the spin)

unbalance response3

z

r

y

Дисбаланс откликаUnbalance Response

Как задать силу дисбаланса unbalance force:

! Example of input file

/prep7

F0=m*r

F, node, fy, F0

F, node, fz, , - F0

slide26
Расчет собственных частот и форм колебаний и гармонический анализ

Расчет дисбаланса откликадвухвального ротора

(twin spool rotor)

Модель двувального ротора

- 2 вала(BEAM188)

- 4 подшипника(COMBI214)

- 4 диска(MASS21)

Диск не виден, задан точечной массой (MASS21)

slide27
Расчет собственных частот и форм колебаний и гармонический анализ

Расчет дисбалансадвухвального ротора

(twin spool rotor)

Вывод диаграммы Campbell для внутреннего вала:

plcamp, ,1.0, rpm, , innSpool

f0 = 70e-6 ! unbalance

F, 7, FY, f0

F, 7, FZ, , -f0

fini

/SOLU

antype, harmic

synchro, , innSpool

slide28
Расчет собственных частот и форм колебаний и гармонический анализ

Расчет дисбалансадвухвального ротора

(twin spool rotor)

Вывод орбит вращения

transient analysis

Ассиметричные подшипники

Стабилен при 30,000 rpm (3141.6 rad/s)

Нестабилен при 60,000 rpm (6283.2 rad/sec)

positive real part

negative real part

Расчет собственных частот и форм колебаний и переходный анализTransient Analysis

Нестационарное движение по орбите Transient orbital motion – неустойчивость ротора rotor instability

Расчет собственных частот и форм колебаний

eigen freqs. from QRDAMP eigensolver

transient analysis1

unsymmetric bearings

Стабилен при 30,000 rpm (3141.6 rad/sec)

Нестабилен при 60,000 rpm (6283.2 rad/sec)

Расчет собственных частот и форм колебаний и переходный анализTransient Analysis

Нестационарное движение по орбите Transient orbital motion – неустойчивость ротора rotor instability

Нестационарный динамический расчет

blower shaft
Модель вала вентилятора Blower Shaft

Крыльчатка закачивает горячую смесь жидкого и газообразного обогащенного водорода в топливную ячейку с твердым окислителем .

Вращение 10,000 rpm

ANSYS Model для вращающейся части

99 beam elements

2 bearing elements

slide32
Вал вентилятора – расчет собственных частот и форм колебаний

Частоты и соответствующие им формы орбит mode shapes orbits

slide33
Вал вентилятора – расчет собственных частот и форм колебаний

Campbell diagram

Значения устойчивости Stability values

Частоты Frequency

slide34
Вал вентилятора – критические скорости

Первая FW критическая скорость

Подшипники симметричные поэтому FW критические скоростибудут возбуждать

unbalance response4
Вал вентилятора – дисбаланс отклика unbalance response

Дисбаланс диска от гармонического отклика

- Эксцентриситет диска .002”

- Масса диска .0276 lbf-s2/in.

- Диапазон частот 0-10000 rpm

Орбиты при критической скорости

Амплитуда перемещений на диске

unbalance response5
Вал вентилятора – дисбаланс отклика unbalance response

Реакции в подшипниках

Передние подшипники более нагруженныекогдау задних подшипников 1 форма является формой диска.

slide37
Вал вентилятора – пусковой режим
  • Нестационарный расчет
  • Линейное увеличение скорости вращения в течении 4 секундRamped rotational velocity over 4 seconds
  • дисбаланс изменения от времени силсилы FY и FZ на диске

Zoom of transient force

slide38
Вал вентилятора – пусковой режим

Перемещения по UYи UZпри прохождении диском критической скорости

Амплитуда перемещений диска

slide39
Вал вентилятора – пусковой режим

Нестационарные орбиты Transient orbits

0 до 4 секунд

С 3 до 4 секунд

Когда подшипники симметричные, орбиты движения круговые

prestress
Вал вентилятора – предварительное нагружение prestress

Включается предварительное нагружение нагревом:

Нагрев до 1500 F

Статические перемещения от нагрева

prestress1
Вал вентилятора – предварительное нагружение prestress

Сравнение диаграмм Кембела

С термическим предварительным нагружением

Без преднагружения

slide42
Расчет модели сложного составного вала (из 2 валов)

Внешний вал

Внутренний вал

slide43
Расчет модели сложного составного вала (из 2 валов)
  • Внутренний вал вращается с угловым скоростями angular velocity 0, 3000, 5000, 7000, 10000 Rad/secs
  • Внешний вал будет вращаться 1.5 times со скоростью внутреннего вала
  • Степени свободы UX запрещены для всех узлов.
  • Степени свободы ROTX запрещены для всех узлов.
  • Элемент COMBIN14 используется для эффекта Housings/Grounding effect
  • В зависимости от направления нагрузки, активируются опции элементоводин из UX DOF /UY DOF.
  • Все степени свободыв точке Grounding point запрещены.
slide46

Campbell Diagram для внутреннего вала

8

Критическая скорость 4296.717Rad/sec

1

Критическая скорость 665.582Raad/sec

slide47

Campbell Diagram для внешнего вала

8

Критическая скорость 3661.772Rad/sec

1

Критическая скорость 693.870Raad/sec

slide48

Дисбаланс сил отклика

Сила дисбаланса 70e-3 N приложена к узлу:107

f0 = 70e-3

f,107,fy,f0

f,107,fz,,-f0

slide49

Дисбаланс сил отклика

Перемещения для последнего

шага решения

slide50

Дисбаланс сил отклика

Орбита внутреннего вала

Орбита внешнего вала

Орбиты представлены 2 цветами. Орбиты внутреннего вала голубого цвета, внешнего вала малиновые. Оси валов синие.

Вывод орбит

slide51

Дисбаланс сил отклика

Анимация прецессии роторов

slide52
Дисбаланс сил отклика

Увеличение амплитудыпосле First Natural frequency значения 121.14Hz… В сравнении с предыдущим случаем 1st Natural frequency plot

slide54
Примеры моделей

3D модель ротора:

2Dосесимметричная

8-и узловые осесиметричные PLANE83, 2 spring-damper элемента COMBIN14 и 40 точечных масс - элементы MASS21.

slide55
Выбор модели описания подшипника

Сравнение вариантов:

Наиболее близкие результаты с экспериментальными данными показаны жирным шрифтом

slide57
Зависимость частот ротора от жесткости подшипников
180 atlas iii v

ОАО «НПО ЭНЕРГОМАШ

им. акад. В.П. Глушко»

Определение критических скоростей вращенияДвухвальный ротор основного ТНА двигателя РД-180 РН ATLAS III-V

Ротор ТНА мощностью 140 тыс. л.с.

Ротор насоса окислителя (НО) связан с ротором насоса горючего (НГ) рессорой.

КЭМ вала – балка (BEAM188)

Детали на валу – точечные массы (MASS21)

Опоры – пружины (COMBIN14)

НО

НГ

КЭМ – параметрическая, построена с использованием APDL, что позволяет проводить оптимизациюпо критическим частотам средствами ANSYS.

slide60

ОАО «НПО ЭНЕРГОМАШ

им. акад. В.П. Глушко»

Определение критических скоростей вращенияРотор основного ТНА ЖРД

Параметрическая КЭМ, с возможностью оптимизации по критическим скоростям.

Параметры управления – механические и геометрические характеристики вала; массово-инерционные характеристики рабочих элементов и их расположение; характеристики опор.

help a ansys 8 7 sample unbalance harmonic analysis
Гармонический анализ ротора от дисбалансаДвухвальный ротор из Help’a ANSYS (8.7. Sample Unbalance Harmonic Analysis)

Два соосных вала вращающиеся с разной скоростью.

Определяются критические скорости, отклик (перемещения) и реакции в опорах.

В 12 версии ANSYS возможность задания КЭМ для расчета критических скоростей в виде четырехузловых осесимметричных элементов (SOLID272)

slide62

Спасибо за внимание!

CADFEM CIS,

Россия,

111672, Москва,

ул. Суздальская, 46

Кабанов Ю.Ю.

Задачи статической/

динамической прочности.

Построение расчетных сеток

Тел.: (495) 644-06-08

Е-mail: info@emt.ru

Yuriy.Kabanov@cadfem-cis.ru

Интернет:

www.emt.ru

www.ansys.msk.ru

www.ansyssolutions.ru

www.autodyn.ru