Блог COMSOL

Анализ различных типов вращающихся механизмов с использованием модуля Роторная динамика

06/12/2016

by Caty Fairclough

При моделировании вращающегося механизма во избежание его выхода из строя необходимо изучить влияющие на его поведение и характеристики колебания. Решить эту задачу можно с помощью модуля Роторная динамика — дополнения к модулю Механика конструкций программного пакета COMSOL Multiphysics®. Сегодня мы поговорим о модуле Роторная динамика, рассмотрим его полезные особенности и функционал для улучшения процесса разработки вращающихся механизмов.

Чего можно достичь с помощью моделирования роторной динамики?

Начнем с краткого введения в моделирование процессов роторной динамики. Как было отмечено в одной из предыдущих статей блога, анализ процессов роторной динамики позволяет расширить функциональность и безопасность вращающихся механизмов, которые широко применяются во многих областях промышленности — от аэрокосмических технологий до выработки энергии.

Например, нам требуется проверить генератор — разновидность вращающегося механизма — на стабильность, отсутствие разрушительных резонансов и неисправностей из-за ошибок при разработке. Для исследования колебаний, которые влияют на физическое поведение генератора и усиливаются в зависимости от его вращения и конструкции, можно воспользоваться анализом динамики роторных машин.

Фотография генератора.
Вычислительная модель генератора, созданная в программном пакете COMSOL Multiphysics.

Генератор (слева) и его трехмерная модель (справа).

Инструменты численного моделирования облегчают исследования роторной динамики и повышают их точность. Теперь благодаря модулю Роторная динамика данный процесс стал еще удобнее и проще.

Модуль Роторная динамика позволяет определять необходимые конструктивные параметры для сохранения динамических характеристик механизмов в допустимых эксплуатационных пределах при помощи анализа резонансов, напряжений, деформаций, а также поперечных и крутильных колебаний вращающихся механизмов. Кроме того, данный модуль также позволяет подробно оценить воздействие стационарных и движущихся компонентов роторов на вашу конструкцию, и такие её параметры как критические скорости, собственные частоты и формы колебаний. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые из этих преимуществ и особенностей.

Преимущества модуля Роторная динамика?

Одно из главных достоинств модуля Роторная динамика — его гибкость. Он позволяет с легкостью настроить модель для исследования как отдельных частей вращающегося механизма, так и всей конструкции.

Последнее достигается посредством интерфейса Solid Rotor (Твердотельный ротор) модуля Роторная динамика, использующего трехмерные CAD-геометрии для представления ротора и жестких элементов при моделировании методом конечных элементов. Исследуя совокупность всех компонентов вращающейся системы, вы можете получить максимально точные результаты. Моделирование всей системы целиком не является обязательным для исследования напряжений и деформаций именно ротора, но оно повышает точность моделирования. Тем не менее для получения распределения полей напряжений и деформаций во всей области ротор необходимо моделировать как жесткий элемент.

Используя данный интерфейс, вы можете также учитывать эффекты геометрической нелинейности, полностью описывать асимметричность геометрии, а также исследовать такие явления, как снижение жесткости при вращении и упрочнение в напряженно-деформированном состоянии.

Модель, разработанная в модуле Роторная динамика программного пакета COMSOL.
Модель коленчатого вала для анализа распределения давления подшипника в смазке и эквивалентных напряжений по Мизесу на основе интерфейса Solid Rotor (Твердотельный ротор).

Что, если требуется снизить вычислительную сложность модели? Для этого можно обратиться к интерфейсу Beam Rotor (Балочный ротор), чтобы повысить вычислительную эффективность моделирования вращающихся механизмов и ускорить его. В этом интерфейсе ребро вдоль оси ротора определяет сам ротор, а другие вращающиеся детали задаются созданием точек в соответствующих положениях.

Исследование опор и подшипников во вращающихся механизмах.

Другое преимущество данного модуля заключается в возможности упростить процесс моделирования для двух ключевых элементов в роторной системе: опор и подшипников. Сначала рассмотрим опоры, для которых есть три разных варианта моделирования.

  1. Опоры фиксированы и не оказывают существенного влияния на динамическую характеристику ротора
  2. Опоры подвижны, а внешние вибрации воздействуют на опору и подшипник
  3. Опоры гибкие, критическая частота вращения ротора зависит от их гибкости

Модель гидродинамического подшипника.
Модель давления в гидродинамическом подшипнике.

Эти опоры поддерживают подшипники. Сначала рассмотрим подшипники скольжения, которые в модуле Роторная динамика могут моделироваться двумя способами.

  1. Применение сосредоточенных моделей с определенными приближениями
  2. Моделирование полного гидродинамического подшипника, включая подробный расчет давления и расхода смазки

Во втором способе используются три различных интерфейса, использующих полное уравнение Рейнольдса для моделирования гидродинамики. Интерфейс Hydrodynamic Bearings (Гидродинамические подшипники) позволяет детально моделировать поведение подшипников скольжения и включает простой способ моделирования слоя смазки между втулкой и вкладышем. Интерфейсы Solid Rotor with Hydrodynamic Bearing (Твердотельный ротор с гидродинамическим подшипником) и Beam Rotor with Hydrodynamic Bearing (Балочный ротор с гидродинамическим подшипником) позволяют анализировать совместно ротор, гидродинамический подшипник и их взаимодействие. Тем не менее, как видно из названий, в первом для описания ротора применяются твердотельные элементы, а во втором для приближенного определения ротора используются балочные примитивы.

Если вас интересует моделирование упорных подшипников, модуль Роторная динамика дает вам такую возможность. Он включает три типа упорных подшипников и их поведения: подшипники без зазоров, коэффициенты жесткости и демпфирования подшипника, а также силы и моменты, действующие на подшипники.

Доступные типы исследований и графиков

На основе вышеописанных особенностей и функционала можно разработать модель, удовлетворяющую конкретным требованиям. Кроме того, в модуле Роторная динамика также имеются различные типы исследований, позволяющие проводить дополнительную кастомизацию.

Они позволяют легко моделировать гироскопические эффекты. Вибрационные эффекты описываются в системе координат наблюдателя. Система координат наблюдателя вращается вместе с ротором. Это устраняет необходимость физического вращения ротора для моделирования всей системы, что упрощает процесс. Этот подход также позволяет исследовать собственные частоты вращающейся системы, что было бы невозможным при использовании неподвижной системы координат из-за нелинейности вращения.

Доступные типы исследований применимы к статическим и динамическим расчетам и включают следующее:

  • стационарное исследование
  • расчет на собственные частоты
  • исследование в частотной и временной области
  • исследование во временной с быстрым Фурье-преобразованием (FFT)

Отметим, что при анализе динамики роторных механизмов определение стационарного исследования отличается от классического для механики анализа.

После выполнения исследования вы можете отформатировать результаты и поделиться ими с другими. Для этого необходимо выбрать тип графика, который лучше всего отобразит ваши результаты. На представленных ниже четырех изображениях показаны некоторые из типов графиков, которые можно создавать в зависимости от типа проведенного анализа.

Пример вихревого графика (whirl plot), доступного в модуле Роторная динамика.
/Вихревые графики (Whirl plot) отображают формы мод вращения ротора вокруг своей оси.

Две диаграммы Кэмпбелла для проведенных расчетов динамики роторов в COMSOL Multiphysics.
Диаграммы Кэмпбелла отображают изменение собственных частот ротора в зависимости от частоты его вращения.

Пример каскадной диаграммы (Waterfall plot).
Каскадные диаграммы (Waterfall plotы) отображают изменение спектра частот при увеличении угловой скорости ротора.

График орбит (Orbit plot), полученный в модуле Роторная динамика COMSOL Multiphysics.
Графики орбит (Orbit plots) изображают перемещения некоторых точек на роторе, включая расположение дисков и подшипников.

Чтобы узнать больше о модуле Роторная динамика, нажмите на кнопку ниже. Вы также можете связаться с нами и задать любые вопросы. Успешного моделирования!

Дополнительные материалы по анализу динамики роторных систем


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Log In | Registration
Загрузка...
Explore COMSOL Blog 
CATEGORIES
TAGS
CATEGORIES
TAGS