1 引言
隨著旋轉機械向大型化、高速化、集成化和自動化方向發展,其運行的穩定性和安全可靠性在工業生產和國民經濟中的重要性日益突出。據有關文獻報道,旋轉機械在研制階段或在使用過程中,其轉子系統的故障經常出現。這些故障有許多涉及到轉子系統的振動問題。航空發動機出現的失穩現象多與整機振動有關,經常是由于轉子系統的臨界轉速與工作轉速點沒有分配好,支承點的位置選取不當等造成,例如WP6, WP7系列發動機曾多次出現渦輪軸后錐段疲勞斷裂。此外某些發動機中還出現了蓖齒密封組件疲勞斷裂,空氣導管屈曲,振動損壞等。可以說在發動機發展階段常常遇到的是轉子系統的振動問題,其中轉子系統在臨界轉速區的振動過大又是一個突出的問題。
為了使轉子工作平穩,避免發生共振,對于轉子系統的模態分析成為轉子動力學研究的重要內容之一。傳統的轉子動力學分析采用傳遞矩陣方法進行,由于將大量的結構信息簡化為極為簡單的集中質量—梁模型,不能確保模型的完整性和分析的準確度。有限元在處理轉子動力學問題時,可以很好地兼顧模型的完整性和計算的效率,但多年來轉子的“陀螺效應”一直是制約轉子動力學有限元分析的“瓶頸”問題。ANSYS軟件很好地解決了動力特性分析中“陀螺效應”問題,而且陀螺效應的考慮不受計算模型上的限制,使得轉子動力學有限元分析變得簡單高效。本文利用ANSYS的轉子動力學計算功能對轉子系統進行模態分析。
2 模型的建立與求解
如圖1所示,給出了單盤轉子的力學模型,且在轉子的兩端是軸承支撐。表1給出了其計算的相關計算參數。

圖1 單盤轉子的力學模型

本文采用MASS21模擬轉子,采用Beam188模擬轉軸;采用COMBI214模擬軸承。MASS21為點單元,具有x,y,z位移與旋轉的6個自由度,不同質量或轉動慣量可分別定義于每個坐標系方向。圖3給出了Beam188 單元的幾何簡圖。Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構,該單元基于鐵木辛哥梁結構理論,并考慮了剪切變形的影響。
Beam188是三維線性(2 節點)或者二次梁單元。每個節點有六個或者七個自由度,自由度的個數取決于KEYOPT(1)的值。當KEYOPT(1)=0(缺省)時,每個節點有六個自由度;節點坐標系的x、y、z 方向的平動和繞x、y、z 軸的轉動。當KEYOPT(1)=1 時,每個節點有七個自由度,這時引入了第七個自由度(橫截面的翹曲)。這個單元非常適合線性、大角度轉動和/并非線性大應變問題。
當NLGEOM 打開的時候,beam188 的應力剛化,在任何分析中都是缺省項。應力強化選項使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉穩定問題(用弧長法)分析特征值屈曲和塌陷)。
Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型(不考慮橫截面子模型)。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組和截面。
圖4給出了COMBI214單元的幾何簡圖。COMBI214是專門用來模擬軸承力學性質的單元,可以考慮拉壓,但不能考慮彎曲和扭轉。這個彈簧阻尼單元沒有質量,如果需要質量則通過添加MASS21單元來實現。

表3 2號軸承的計算參數