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基于ANSYS的水轮机中主轴动态特性析

摘要：

水轮机的部件和它的稳定性经常被破坏，同时它也容易被振动所影响，这经常导致很大的损失，振动的原因很明显。根据实验室的一台真实的机器，这篇文章利用ANSYS有限元软件来建立水轮机发电组的的主轴系统模型。在这个基础上，采用模态分析，计算旋转的临界转速。研究结果可以为动态分析提供参考和作为设计或改进的基础。

1、介绍

作为用在许多水电站的大型机器，水轮机的运行条件对整个国家的经济很重要，它总被相关领域的人们所高度关心。在这些人当中有很多是工程师，他们最关注的是水轮机的动态特性。

实际上，整个水轮机发电机组很复杂，尽管我们一直为此研究了几十年，仍然没有弄清楚许多问题。让动态问题如此困难的原因是是水轮机发电组运行时的复杂环境。毫无疑问，这是学者们经常讨论的关键，希望在这方面有所突破，这样我们才能了解动态的细节特征，甚至弄清楚能量交换的机制。他们中的一些人仿真，其他人通过做实验。

主轴系统是水轮机发电机组的关键部件之一，是在这样一个复杂的环境下工作。一般来说，它存到三种力量作用，分别来自电场，磁场和水力场。三个中的任何一个可以激发主轴系统特定位置的振动，甚至引发整个发电机组的振动。主轴系统的振动一般是破坏的主要来源，因此我们需要集中关注动态特性。不管是是通过仿真还是实验分析，自振频率作为基础数据都必须要被采集。相应地，另一个重要的结果是临界转速旋转，临界转速通常是接近固有频率。这些特征参数和结果可以向工程师们显示共振区，也可以作为监控装置的标准，以防发电机组处于危险中。这便是仿真计算的目标。

2模型和方法

水轮机发电机组的主轴系统模型是由几个部分组成:发电机转子和转轮，主轴和有关的轴承。坦率地说，由于机械、电磁场和水相互作用产生的非线性特征，很难建立一个可以包含所有的因素的模型，如来自轴承的非线性油膜力。所以对模型进行必要的简化是不可避免的。

总的来说，尽管水轮机主轴系统十分复杂，但它系统仍然是转子-轴承系统。基于这个观点，使用转子动态理论分析还是合适的。通常有两种方法被用来处理转动动态问题。一个是传递矩阵法，如Riccati传递矩阵法。另一种是有限元方法(FEM)，它有着更高的数值稳定性，但需要计算机更多的存储空间。这两种方法都是广泛的用于解决转子动态问题。前者的方法将系统划分为几个部分得到了集中质量模型，如转盘、轴和轴承。然后建立两端截面的之间状态向量的关系，利用连续性条件来保证在任何截面状态向量之间以及与最初的那个状态向量之间的关系。后一种方法，即有限元法，直到1970年代才被用来分析转子动态问题。有限元的核心思想是改变无限自由度(自由度)成一个有限自由度问题，然后解决它。随着计算机技术的发展，有限元分析力学问题变得非常流行，不仅仅是转子动态特性问题。

本文利用大型商用有限元软件ANSYS建立三维几何模型(图1)。有轴承支撑的地方是一个空心轴。在划分3 d几何模型得到有限元模型(图2)。

图1.3 d几何模型主轴系统图 图2.主轴系统的有限元模型

3、计算和结果

为了顺利做计算，有两个重要的点应该更加关注:

(1)陀螺效应。由于角运动(旋转)的旋转部件(如转盘)，它将生成一个惯性矩，叫做陀螺力矩。陀螺效应是由这个引起的的。一般来说，陀螺力矩沿着旋转轴线的方向时可以使得使得倾斜角度变小，这可以增加轴的刚度和旋转的临界转速。

(2)阻尼。转子动力系统是由许多部分组成的。他们工作在一起形成阻尼。总的来说，阻尼会降低临界转速旋转，虽然不是很明显。然而，当主轴以临界速度转动时，阻尼会影响到振型和振幅，使它们呈现下降趋势。在ANSYS / Rotordynamic模块，我们上面说的两个问题都要纳入考虑范围。第一个可以APDL(ANSYS参数化设计语言)实现，第二个可以在设置元素的参数时应用到。SOLID45和COMBIN14这两种单元用于划分为三维有限元几何模型。COMBIN14单元可以简化轴承。划分结束后总共有2812535单元和150555个节点。一些计算参数，如材料特性、阻尼和刚度如表1所示

表一，计算的参数

旋转的额定转速为600 r / min。分别采用1/10、1/3、1/2、1/1的额定速度，并且把每个转速写成载荷步文件创建坎贝尔图。通过计算机来计算后，不同阶次的模态图（在这篇文章中我们采用前6阶）和频率也被采集到(表2，图3-8)。临界转速的旋转从坎贝尔图中可以看到。(图9)

表2 频率

图9.坎贝尔图

4结论

1、随着阶次的增加，频率也变得更大。

2、从模态图可以看出，第六阶振动十分激烈和复杂。第一阶和第五阶的振动显示是横向振动。其他几阶表明振动包含扭转振动。一些模态并没有很好的显示，也许是推力轴承没有被考虑进去。

1. 随着工作转速的增加，由于陀螺效应，正回旋的频率提高，逆回旋的频率降低，这可以从坎贝尔图上清楚地看出来。当旋转的速度等于旋转角频率时，达到临界速度，这可以从坎贝尔图上清楚的看出来。

4、从整个计算过程来看，在设置计算选项时，陀螺效应需要被考虑进去，因为它严重到影响动动态特性。实际上，你如果不将coriolis选项打开时，就不会得到一个坎贝尔图。

使用有限元方法对船舶结构进行自由与强迫振动分析

摘要：随着船舶大型化和速度化，船上振动成为船舶设计与施工一个重要的问题和施工。减少船舶振动是为了旅客舒适度和船员适居性。另外除了考虑到舒适性外，过度的船振动可能导致船舶局部结构的疲劳破坏，导致机械和设备的故障。螺旋桨会引起船体表面的脉动压力，这会导致船体结构的振动。这些脉冲压力这些压力脉冲作用于船体表面螺旋桨桨叶上是船体振动的主要因素。船舶结构是复杂的，经过简化后的结构可以进行分析。在船舶结构有限元设计中，一些简化假设可以用到。在这项研究中，一个三维有限元模型代表整个船体、甲板室和机械推进系统，可以用固体建模软件进行局部和整体振动分析。振动分析两种条件下进行:自由-自由(干)和水中(湿)。潮湿的分析使用acoustic单元实现。总阻尼与整个船体结构振动被认为是几种阻尼部件

的合成。整体自由振动的计算的结果表明，整体固有频率和模态可以被确定。而且，通过螺旋桨产生的激振力研究，船体局部结构的振动响应也可以被计算。

关键词：有限元法 船体振动 模态分析

1介绍

有限元分析是公认的最重要的结构工程分析领域的技术突破。电脑的发展使有限元方法最受欢迎的解决工程问题的技术之一。分析一个复杂的结构，如一个船体，有限元法是唯一的工具，会产生令人满意的结果。

随着船的尺寸和速度的增加，船舶振动成为船舶设计和施工中很重要的问题。第二次世界大战结束以来，商船尺寸的增加和推进系统的输出的增大，造成大量的造船技术问题。船舶振动就是一个这样的问题。船舶尺寸和船舶推进系统的输出的提高也导致复杂的问题的出现，特别是那些涉及振动的部分。在设计过程中要避免过度的船体振动，保障旅客舒适度和船员适居性。振动除了对旅客舒适性的对人类的影响，过度的船体振动还会导致局部构件的疲劳失效或机器和设备的故障。很显然，如果振动问题被多次通过经验被确定为是最重要的问题，并且从一开始的设计阶段就采取措施，可以预料，包括重大修正在内的一些严重的问题导致的成本提高就可以被避免。重点是有关于振动的设计在概念设计时就需要考虑，而不是等到细节处理时才考虑。如果在概念设计阶段能用简单的工具和可用的经验法做尽可能多的计划，那么大的振动问题就可以被避免。主要的振动问题是可以避免的。主要潜在的问题在概念设计时就可以被发现。通过细小的可用技术，仅仅只需要识别和解决这些潜在的问题，对于一条船的成功设计来说是很重要的。 在船舶设计和施工中，船舶的自由过度振动将一直是人们关心的对象，因此，需要通过审慎的调查，通过分析，在设计阶段就研究振动的可能性。

振动分析的目的是确认主机、桨、轴系的配合以及主要结构配置的。船体结构包括外壳电镀和所有内部结构，为满足船舶在预定海域环境下达到设定的功能而共同提供必要的支持。当受到动态负荷时，船体结构作为两端自由梁(包括自由的)响应。由推进系统引起的振动是一种主要的船体振动来源。这个振动来源体现在几个方面。来自轴系的动态激振力通过轴承传递给船体。螺旋桨上的的脉动压力作用在船体表面，这也会导致船体内部结构的振动。主机和辅机可以直接导致振动通过动态力量通支撑和基础传递。这种振动的响应可能导致船体梁的振动，甲板和甲板室以及其他结构，局部结构和设备的振动。当我们试图确定振动源时，有必要通过通过确定每次轴旋转的震荡数，确定建立激励的频率和激励的频率与轴转动频率之间的联系。

对于船振动，四种重要的单元是“激励”，“刚度”、“频率比率”和“阻尼”。在船舶螺旋桨诱引起的振动中，通过改变螺旋桨的不稳定流体动力，激励可能会减少。这可能涉及到线或均匀性的变化以减少后流入的不均匀性或可能涉及改变螺旋桨本身几何形状。刚度定义为单位弹簧力。一般来说，通过改变刚度的变化，刚度越大，固有频率越高而不是越低。试图通过减少系统刚度，以减少振动并不是一个推荐的做法。在共振发生时，激励只有被阻尼减弱。注意W_t/W随激振力频率W_t或者自振频率W变化，两者对其都有影响。改变相关的旋转机械的转速，或在螺旋桨引起振动的情况下，通过改变螺旋桨的转速或叶片的数量可以改变频谱。通过改变系统质量或刚度，自振频率W也可以改变，增加刚度是通常的和首选的方法。一般来说，，结构的阻尼系数系统尤其是船舶，很小，小于1。因此，除了很近共振的情况，一般情况下振动幅度很大程度上是阻尼无关的。此外，系统阻尼很难显著增加，例如一般来说，船舶的刚度是最有效的四个参数提供给设计师以实现船舶振动特性的变化。四个元素被先前标记为对于决定船的振动响最有影响，和它们对于减震的关系也是被事先确定好的。当所有四个元素需要被量化来计算振动响应等级时，只有在概念设计时集中关注四个元素中的两个，通过合理的工作，才能获得可接受的结果。这重要的两个元素是“激励振幅”和“频率比率”。

两种设计方法用于船舶设计:“超临界的”和“亚临界”的设计方法。超临界的设计方法是指主要的谐波激励频率高于固有频率。相反，在亚临界设计方法指的是主要的谐波激励的频率是低于固有频率。一般来说，“亚临界”的设计方法优先。在这项研究中，整体船体自由振动问题在两个条件下，研究了是自由振动(干)和水中有(湿)的有限元分析。螺旋桨诱导的脉动压力作用在船体表面，导致船体结构振动，这作为的主要激励源进行强迫振动分析。

2整体船体模型

在这项研究中，一个18000 DWT化学品运输船命“PROCIDA”，他是在在Tuzla-Istanbul的ADIK造船厂建造的，已经被选择来进行建模(图1)。船舶的主要性能如表1。

图一.船体模型

表1 船的属性

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