Исследования роторной динамики важны для прикладных задач, включающих вращающееся оборудование, например, задач автомобильной и аэрокосмической промышленности, энергетики, проектирования электроприборов и бытовой техники. На физическое поведение вращающегося оборудования оказывает большое влияние вибрация, которая усиливается вращением и самой конструкцией оборудования. Идеально симметричные роторные установки имеют различные собственные частоты в зависимости от частоты вращения, а дефекты и несбалансированность могут сложным образом воздействовать на эти частоты. Проектируя оборудование с вращающимися частями, вы должны эффективно учитывать это поведение и оптимизировать рабочие режимы и характеристики.
Полноценные инструменты для моделирования роторов и гидродинамических подшипников
Платформа для моделирования COMSOL Multiphysics® и ее модули расширения предоставляют вам доступ к набору предварительно настроенных инструментов для моделирования, так называемых интерфейсов физик, созданных специально для конкретных задач анализа. Модуль Роторная динамика предоставляет пять специализированных интерфейсов физик, которыми вы можете воспользоваться для точного моделирования роторов и подшипников:
Используя возможности совместного моделирования физических явлений из различных областей, предоставляемые модулем Роторная динамика, вы можете изучить эффекты завихрения и выбрасывания масла из подшипника, связывая физику интерфейса Hydrodynamic Bearing (Гидродинамический подшипник) с физикой интерфейсов Beam Rotor (Балочный ротор) и Solid Rotor (Твердотельный ротор).
Кроме того, вы можете использовать модуль Роторная динамика совместно с другими модулями программного пакета COMSOL для моделирования междисциплинарных или мультифизических явлений. Это означает, что вы можете изучить влияние других физических процессов на ваши роторные установки. Например, комбинируя модуль Роторная динамика с модулем Динамика многотельных систем, вы можете проводить нестационарное моделирование и прогнозировать вибрации в узле ротора с зубчатым колесом при приложении внешнего крутящего момента.
Изучайте полномасштабные установки вращающегося оборудования с высокой точностью.
Чтобы добиться наиболее точного описания вращающейся установки, вы должны учесть все ее составляющие. Вы можете воспользоваться наиболее общим подходом к моделированию — обычным методом конечных элементов — с помощью интерфейса Solid Rotor (Твердотельный ротор) модуля Роторная динамика. При этом подходе вы моделируете трехмерную геометрию ротора и используете твердотельные элементы для определения узла ротора.
В интерфейсе Solid Rotor (Твердотельный ротор) вы можете дополнить свое исследование полным описанием геометрической асимметрии и несбалансированности, а также нелинейных геометрических эффектов. Вы можете также учесть деформации в подшипниках и подвесках, принять во внимание гироскопические эффекты и увидеть влияние снижения прочности при вращении и упрочнения в напряженно-деформированном состоянии в вашей модели. Этот интерфейс наиболее полезен, если вам требуются результаты прямого моделирования деформаций и напряжений в роторе и его составляющих.
Используйте балочные элементы для моделирования роторной динамики с повышенной вычислительной эффективностью.
Если вам требуется построить модель, не требующую большого количества вычислительных ресурсов, вы можете использовать интерфейс Beam rotor (Балочный ротор) модуля Роторная динамика. С помощью этого интерфейса вы можете аппроксимировать конструкцию установки, явным образом моделируя только длину в направлении оси ротора с помощью балочных элементов. Этот подход основан на линейной теории балок Тимошенко.
С помощью уравнений модуля Роторная динамика вы можете разделить осевые, изгибающие и скручивающие компоненты при исследовании. Вы также можете добавлять в любую точку балки диски, представляющие различные компоненты или основания ротора, или задавать эти детали со смещением от ротора. Такими компонентами могут быть, например, маховики, шкивы, зубчатые колеса, импеллеры и сборки лопастей ротора.
Вы можете с высокой точностью моделировать деформации в роторах с относительной толщиной до 0,2 в интерфейсе Beam Rotor (Балочный ротор). В поперечном направлении свойства ротора задаются свойствами, характерными для балки, такими как площадь поверхности поперечного сечения и моменты инерции. При использовании этого интерфейса предполагается, что поперечные размеры балки гораздо меньше осевой длины ротора, что позволяет пренебречь поперечными деформациями ротора. В этом случае ротор моделируется набором дисков и балок.
Моделируйте подшипники и их опоры в составе узла ротора
Подшипники и их опоры критически важны для узла ротора - эти компоненты соединяют ротор с другими деталями. Отклик роторной системы сильно зависит от типа подшипника или опоры, поэтому важно уметь точно описывать их поведение. Специализированные интерфейсы и функциональные возможности модуля Роторная динамика позволяют с легкостью определить эти компоненты.
Подшипники шейкиПодшипники шейки ограничивают поступательное движение шейки вала в поперечном направлении и ее вращение вокруг обеих поперечных осей вследствие конечной длины шейки. Для моделирования подшипников шейки есть две возможности: полное моделирование гидродинамического подшипника с подробным описанием давления и потока смазки или приближение с помощью сосредоточенных моделей.
Сосредоточенные моделиС помощью сосредоточенных моделей модуля Роторная динамика вы можете моделировать следующие разновидности подшипников шейки и их поведение:
Распределение давления в смазке подшипника (радужный график), напряжение по Мизесу (синий график) и деформация подшипника (график орбит), полученные при помощи исследований роторной динамики.
Вы можете использовать модуль Роторная динамика, который является расширением модуля Механика конструкций, чтобы исследовать влияние поперечных и крутильных вибраций вращающегося оборудования, изучать вибрации ротора и удерживать их в рамках проектных ограничений. С помощью этого модуля вы можете рассчитать такие параметры конструкции, как критические скорости, прецессию, собственные частоты, пороги устойчивости, а также стационарные и нестационарные отклики ротора на несбалансированность массы. Вы можете также увидеть, как вращение приводит к появлению напряжений в самом роторе, к дополнительным нагрузкам и передаче вибрации на другие части вращающейся установки.
С помощью модуля Роторная динамика вы можете учесть влияние различных неподвижных и подвижных компонент, включая диски, подшипники и опоры. Вы также можете легко провести постобработку результатов непосредственно в программной среде, создавая диаграммы Кэмпбелла, модальные орбиты, гармонические орбиты, каскадные и вихревые графики.
Гидродинамические подшипникиВы можете подробно моделировать поведение подшипников шейки с помощью интерфейса Hydrodynamic Bearing (Гидродинамический подшипник). Этот интерфейс включает в себя предопределенные физические инструменты для моделирования смазки между шейкой и вкладышем путем решения уравнения Рейнольдса.
Вы можете использовать этот интерфейс, чтобы исследовать подшипник шейки и его свойства жесткости и демпфирования либо в мультифизической связи с интерфейсом Solid Rotor (Твердотельный ротор) или Beam Rotor (Балочный ротор) для исследования динамики всего узла ротора. Эти интерфейсы предоставляют встроенные модели для следующих типов гидродинамических подшипников:
Для исследования упорных подшипников, которые ограничивают движение вдоль оси ротора и вращение вокруг поперечных осей, вы можете использовать сосредоточенные параметры. Вы можете моделировать следующие разновидности упорных подшипников и их поведение в модуле Роторная динамика:
Опоры подшипников — это элементы конструкции, на которых расположены подшипники. В вашем узле ротора вы можете моделировать основания следующим образом:
Набор типов исследований предоставляет доступ к различным методам анализа
Набор типов исследований, входящий в модуль Роторная динамика, позволяет должным образом исследовать динамику узла ротора с помощью различных методов анализа, адаптированных для характеристик явлений роторной динамики.
Модуль Роторная динамика позволяет учитывать гироскопические эффекты, включая инерциальные силы. Эффекты вибрации в модуле моделируются с точки зрения наблюдателя в системе отсчета, вращающейся синхронно с ротором. Это упрощает процесс моделирования, поскольку для этого не требуется информация о фактическом физическом вращении ротора.
Во вращающейся системе отсчета перестают действовать обычные представления о статических и динамических силах. В исследованиях роторной динамики инерциальные силы могут быть статическими, в то время как сила тяжести, статическая в неподвижной системе отсчета, проявляется во вращающейся системе отсчета как динамическая синусоидально изменяющаяся сила. Поэтому стационарное исследование в роторной динамике интерпретируется не так, как в обычных исследованиях.
Моды вибрации ротора распространяются по орбите либо в направлении вращения ротора (прямая прецессия), либо против вращения (обратная прецессия). Это явление можно изучать с помощью собственных частот и исследований в частотной области, а также проводя полное нестационарное исследование во временной области.
Модуль Роторная динамика предлагает следующие типы исследований для статических и динамических задач:
Визуализируйте свои модели роторной динамики с помощью различных типов графиков.
С помощью модуля Роторная динамика вы можете создавать наглядные и емкие визуализации результатов моделирования и получать данные для дальнейшего использования и анализа. В этом модуле вы можете выбирать различные типы графиков для конкретных задач роторной динамики, включая: