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SAMCEFRotor转子动力学软件包-详情与应用实例

【摘要】:SAMCEF Rotor是针对转子动力学的专业解决方案,它善于解决转子的动力学问题,例如转子的涡动频率、临界转速、瞬态分析和谐波响应分析等。这种十分灵活而又强大的转子混合建模技术也是SAMCEF Rotor软件独有的。在SAMCEF Rotor软件中可以把基础结构和转子系统统一起来研究其振动特性。另外,在SAMCEF Rotor软件中也可以把柔性静子做成超单元集成到整个系统模型中。

SAMCEF Rotor是针对转子动力学的专业解决方案,它善于解决转子的动力学问题,例如转子的涡动频率、临界转速、瞬态分析和谐波响应分析等。

SAMCEF Rotor可以进行转子系统的建模,阻尼与无阻尼转子临界转速、转子稳定性、不平衡响应分析及瞬态响应分析、弯扭耦合分析。它能考虑发动机转子与静子间的耦合及发动机转子支撑刚度的计算,模拟发动机的各种支撑方式,例如轴承、油膜等。

1.SAMCEF Rotor软件的主要特点

SAMCEF Rotor软件的主要特点如下:

●基于三维图形界面SAMCEF Field,与大型CAD系统有接口,可以直接读取CAD几何模型。

●基于有限元方法的软件系统,是目前世界上唯一的大型商业化软件。该软件在涡轮机行业拥有众多的大型用户,例如法国的SNECMA和ALSTOM、英国的ROLLS-ROYCE、德国的MTU和瑞典的ABB等著名公司。

●使用梁单元(Beam)、壳单元(Shell)、二维轴对称谐波单元(2D-multi-harmonicaxi symmetrical)和三维实体单元(Volume)对转子系统、静子系统和连接部件进行建模,能模拟复杂的转子系统。

●模拟多转子系统、套轴转子系统,这些转子可具有不同的转动方向、转速。

●具有弯曲和扭转耦合振动分析功能,齿轮单元模拟齿轮运动和弯扭耦合振动。

●与SAMCEF的其他软件包配合,可以让用户采用同一个模型进行其他计算分析,例如传热分析和热应力分析。

●与SAMCEF BOSS Quattro优化分模块配合可以进行转子系统优化分析。

滑动轴承单元和挤压油膜阻尼单元可模拟滑动轴承和挤压油膜阻尼器

●计算非线性谐波响应和瞬态响应。

●模拟电磁轴承或控制系统。

●使用用户自定义的单元。

2.SAMCEF Rotor模型

建立一个或几个具有不同的旋转速度和自由的空间定位的柔性转子模型。转子模型有多种类型,即梁单元-刚性盘模型、轴对称(傅里叶级数)、三维(3-D)模型、循环对称模型、多级循环对称模型和一维三维/二维三维混合模型。

(1)梁-刚性盘-弹簧模型

转子采用梁单元模拟,轴承采用弹簧单元模拟,轮盘采用集中质量单元模拟。典型模型如图2-10所示(显示了截面形状)。

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图2-10 梁模型

(2)轴对称模型

采用轴对称傅里叶级数展开单元模拟转子,典型模型如图2-11所示。轴对称适用于复杂形状的转子,例如毂桶式转子。

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图2-11 轴对称模型

(3)三维实体模型

三维实体模型支持三维板壳单元和三维实体单元。此模型不区分轴和盘,通过部件模态综合(超单元)降低模型规模。该模型适用于叶轮、桨扇和风扇等结构。典型的三维实体模型如图2-12所示。

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图2-12 三维实体模型

(4)循环对称模型和多级循环对称模型

为了克服三维模型计算时间长的缺点,进一步提高建模和计算效率,同时保证计算的精确度,在SAMCEF Rotor软件中还提供了非常独特的循环对称和多级循环对称模型。

对于涡轮增压器和燃气轮机等涡轮机械转子,只需取一个扇区构建循环对称模型,即可实现与三维模型同样的结果和精度,同时建模和计算效率大大提高,极大地方便了用户的使用。图2-13所示为典型的涡轮增压器转子循环对称模型和燃气轮机转子多级循环对称模型。

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图2-13 循环对称模型和多级循环对称模型

(5)混合模型

除了以上介绍的几种非常强大的转子建模方式外,在SAMCEF Rotor软件中还可以实现以上几种建模方式的混合建模,更加方便用户对各种类型转子结构的建模和分析需要。例如对于涡轮增压器,叶轮部分可以采用三维模型或者循环对称模型,转轴采用二维傅里叶多谐波模型,构建涡轮增压器的混合模型。这种混合模型既可以考虑叶轮柔性和离心刚化效应对转子动态特性的影响,也可以得到叶轮的局部振型及叶轮与轴系的弯扭耦合振型等,可以实现计算精度和效率的最佳平衡。另外,转子也可以采用一维模型,叶轮或者叶片采用三维模型。这种十分灵活而又强大的转子混合建模技术也是SAMCEF Rotor软件独有的。图2-14所示为二维和三维混合模型。

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图2-14 二维和三维混合模型

(6)超单元模型

为了进一步提升建模和计算效率,SAMCEF Rotor软件中还提供了独一无二的转子超单元技术,与传统超单元技术相比,转子超单元不仅包含了若干保留节点和减缩的质量、刚度和阻尼矩阵,还充分考虑了陀螺效应的影响,这是其他软件超单元不能做到的。采用转子超单元技术可以大大缩减转子模型自由度,缩短计算时间,同时保证结果精度。分析完成后,SAMCEF Rotor还提供了超单元的恢复功能,可以通过超单元的恢复获取超单元内部的详细结果信息。

(7)静子部件建模(www.chuimin.cn)

基础和支承结构可以模化为质量、刚度与阻尼。静子部件支持的单元类型有梁单元、板壳单元、傅里叶单元、弹簧与阻尼单元、三维实体单元、杆单元、多点约束单元、刚体单元、篦齿单元等。

(8)连接部件建模

连接部件的建模类型如下。

●轴承、密封和流体力线性模型:线性轴承单元。

●考虑压力、齿形和锥度角的齿轮单元模型。

滚动轴承、滑动轴承。

●建立在传递函数上的电磁轴承和传感器与作动器之间的耦合。

非线性Bushing单元。

●挤压油膜阻尼器和机械阻尼器。

(9)整机模型

旋转机械在运转时,它们的基础支撑结构也随之发生振动。基础的变形和阻尼对转轴的临界转速、稳定性等有不可忽视的影响。在SAMCEF Rotor软件中可以把基础结构和转子系统统一起来研究其振动特性。

在SAMCEF Rotor中可以考虑基础和支撑结构柔性对整个转子系统的影响,静子部分可以采用梁单元、板壳单元、傅里叶多谐波单元、弹簧与阻尼单元、三维实体单元、杆单元、刚体单元等。转子和定子可以是不同维度的模型,SAMCEF Rotor提供了可用于连接不同维度的特殊连接单元。另外,在SAMCEF Rotor软件中也可以把柔性静子做成超单元集成到整个系统模型中。

图2-15所示为典型的航空发动机整机建模及动力学分析模型。其中,静子机匣结构是三维模型,分为12个部分,每部分形成一个超单元,共由12个超单元组成。转子为一维模型和二维模型的混合模型,形成两个超单元。整机分析模型只有数千个自由度,采用超单元后自由度数由百万量级降到千级。

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图2-15 整机超单元模型

3.SAMCEF Rotor分析模块和功能

(1)前后处理环境SAMCEF Field

专业的图形前后处理环境,其前处理功能包括几何建模、有限元网格划分、分析数据定义、载荷边界条件定义、分析参数设置等。后处理功能包括模型显示结构变形图、应力图、临界转速坎贝尔图、瞬态位移响应、速度响应和加速度响应和轴心轨迹图等。图2-16为典型的转子有限元模型。

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图2-16 典型转子有限元模型

(2)临界转速分析

转子系统临界转速分析归结为复特征值问题:

{−ω2M+iωB(Ω)+K(Ω)}q=0

输出的结果包括复特征值、相应的特征向量、动量、应变能和涡动能的分布,以及坎贝尔图(Campbell’s Diagram)。图2-17所示为典型的坎贝尔图和转子振型图。

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图2-17 坎贝尔图和转子振型图

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图2-17 坎贝尔图和转子振型图(续)

(3)线性频率(谐波)响应分析

线性频率响应分析的基本方程:

{−ω2M+iωB(Ω)+K(Ω)}q=g

载荷可以是同步的不平衡量及非同步的载荷(如重力、旋转流体力和压力等)。

(4)非线性频率(谐波)响应分析

非线性频率响应分析的基本方程:

{−ω2M+iωB(Ω)+K(Ω)}q+f(q)=g

考虑非线性支承、轴承间隙等非线性因素。

(5)瞬态响应分析

非线性瞬态响应分析的基本方程:

Mq+B(Ω)q+K(Ω,Ω)q+f(q,q,Ω)=g(t)

非线性瞬态响应分析考虑加速与减速过程、叶片断裂瞬态冲击力和非线性影响因素,例如气隙力、挤压油膜、液压轴承和摩擦力。