韓彥龍，劉迎娟

( 1. 承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2. 華北理工大學(xué) 遷安學(xué)院，河北 唐山 064400)

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基于ANSYS的輪盤轉(zhuǎn)子模態(tài)影響因素分析

韓彥龍1，劉迎娟2

( 1. 承德石油高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000；2. 華北理工大學(xué) 遷安學(xué)院，河北 唐山 064400)

ANSYS；模態(tài)；影響因素

以某輪盤轉(zhuǎn)子為研究對象，運(yùn)用有限元軟件ANSYS分別求得輪盤轉(zhuǎn)子在無約束、盤心節(jié)點(diǎn)軸向與周向約束、不同轉(zhuǎn)速下無約束和不同轉(zhuǎn)速下盤心節(jié)點(diǎn)軸向與周向約束條件下的前6階固有頻率；對比了不同條件下輪盤轉(zhuǎn)子的同階模態(tài)振型。研究結(jié)果表明：輪盤節(jié)點(diǎn)自由度約束和轉(zhuǎn)速的施加會減弱其各階模態(tài)振動；有約束時各階固有頻率比自由模態(tài)各階固有頻率均低；各階固有頻率隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大；僅對輪盤施加轉(zhuǎn)速，無節(jié)點(diǎn)約束不影響轉(zhuǎn)子模態(tài)。該項(xiàng)研究結(jié)果為轉(zhuǎn)子的模態(tài)研究提供了理論支持與重要參考。

模態(tài)分析用于確定轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型等振動特性，在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子動力設(shè)計(jì)時，需對轉(zhuǎn)動部件進(jìn)行模態(tài)分析，求解出其固有頻率和相應(yīng)的模態(tài)振型，通過合理的設(shè)計(jì)使其工作轉(zhuǎn)速盡量遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的固有頻率[1,2]。對于高速部件，工作時由于受到離心力及支撐約束等因素的影響，其振動特性與自由狀態(tài)有所不同[3-5]。本文運(yùn)用ANSYS軟件對影響輪盤轉(zhuǎn)子模態(tài)的因素進(jìn)行了分析。

1 輪盤轉(zhuǎn)子有限元模型

1.1 參數(shù)設(shè)置與邊界條件

輪盤材料為45鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-9 t/mm3。由輪盤安裝條件可知，輪盤盤心節(jié)點(diǎn)軸向和周向固定，徑向自由。

圖1 輪盤截面形狀和尺寸

1.2 旋轉(zhuǎn)截面形成輪盤有限元模型

輪盤截面形狀和尺寸如圖1所示。

輪盤截面與實(shí)體分別采用4節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE42和8節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將完成網(wǎng)格劃分的輪盤截面繞定義的旋轉(zhuǎn)軸掃掠，形成輪盤轉(zhuǎn)子有限元模型，如圖2所示，輪盤轉(zhuǎn)子有限元模型包含5 832個節(jié)點(diǎn)3 816個單元。

圖2輪盤轉(zhuǎn)子有限元模型

2 影響輪盤轉(zhuǎn)子模態(tài)因素分析

2.1 輪盤各階固有頻率

基于上述輪盤轉(zhuǎn)子有限元模型，在ANSYS中運(yùn)用Block Lanczos法對其進(jìn)行模態(tài)分析，擴(kuò)展模態(tài)數(shù)為6，提取輪盤0～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)前6階固有頻率，各組計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同條件下輪盤轉(zhuǎn)子前6階固有頻率(Hz)

由第1組、第2組數(shù)據(jù)可知，盤心節(jié)點(diǎn)約束的輪盤轉(zhuǎn)子各階固有頻率要比自由狀態(tài)輪盤各階固有頻率均低，這是由于節(jié)點(diǎn)約束的施加限制了輪盤盤心節(jié)點(diǎn)軸向和周向振動，導(dǎo)致輪盤固有頻率降低。

由第2組、第3組數(shù)據(jù)可知，輪盤盤心均有約束條件下，施加轉(zhuǎn)速的輪盤產(chǎn)生了徑向離心力，使得輪盤轉(zhuǎn)子各階固有頻率有所升高。

由第3組～第7組數(shù)據(jù)可知，隨著輪盤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，輪盤各階固有頻率有逐漸升高的趨勢，這是由于轉(zhuǎn)速的升高產(chǎn)生了逐漸增大的輪盤徑向離心力。

由第1組、第8組數(shù)據(jù)可知，輪盤盤心節(jié)點(diǎn)未施加約束時，輪盤轉(zhuǎn)速的施加并不會改變輪盤的各階固有頻率。第8組～第12組數(shù)據(jù)顯示，輪盤節(jié)點(diǎn)無約束時，改變轉(zhuǎn)速并不會對輪盤轉(zhuǎn)子固有頻率造成影響。

2.2 輪盤轉(zhuǎn)子振型

輪盤不同條件下的第5階振型如圖3所示。

圖3 自由狀態(tài)第5階振型圖

圖4 無轉(zhuǎn)速有節(jié)點(diǎn)約束第5階振型圖

圖5 轉(zhuǎn)速24 000有約束第5 階振型圖

由圖3與圖4可知，輪盤盤心節(jié)點(diǎn)約束限制了輪盤軸向和周向振動，從而削弱了輪盤的各階模態(tài)振型，使得輪盤各階振型變形變小。由圖4與圖5可知，施加轉(zhuǎn)速的輪盤轉(zhuǎn)子振型變形與無轉(zhuǎn)速輪盤相比，振動有逐漸減弱的趨勢。

3 結(jié)論

(1)輪盤節(jié)點(diǎn)自由度約束會減弱輪盤的振動，使得輪盤各階固有頻率降低。

(2)輪盤轉(zhuǎn)速的施加會產(chǎn)生輪盤徑向離心力，使得輪盤各階固有頻率升高；隨著轉(zhuǎn)速的升高，輪盤各階固有頻率有逐漸升高的趨勢。

(3)輪盤盤心約束和轉(zhuǎn)速的施加會減弱輪盤各階模態(tài)振動。

(4)高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子自由模態(tài)結(jié)果不能滿足工程要求，需考慮轉(zhuǎn)子支撐剛度、邊界約束及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速影響。

[1]韓彥龍.空分壓縮機(jī)多機(jī)組軸系模態(tài)分析[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2015,17(01):21-24.

[2]賈延旭,張鎖懷,蔣賢龍. 基于ANSYS帶預(yù)緊力拉桿轉(zhuǎn)子模態(tài)分析[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報,2014,32(05):148-151.

[3]李紅偉,于文濤,劉淑琴. 基于ANSYS的磁懸浮撓性轉(zhuǎn)子模態(tài)分析與設(shè)計(jì)[J]. 中國機(jī)械工程,2014,11(06):1447-1452+1459.

[4]金勇,田宇忠,劉正林. 水潤滑橡膠尾軸承模態(tài)影響因素分析[J]. 潤滑與密封,2011,36(09):10-13+23.

[5]李春旺,李海云,王澈,等. 航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片振動模態(tài)影響因素研究[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報,2014,15(01):5-9.

Analysis of Influence Factors of Modal of Wheel Disc Rotor Based on ANSYS

HAN Yan-long1, LIU Ying-juan2

(1.Department of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde Hebei 067000, China;2.Qian'an College, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 064400, China)

wheel disc rotor; ANSYS; modal; influence factor

A wheel disc rotor was taken as the research object, the first six natural frequencies of the wheel disc rotor were respectively obtained with finite element software ANSYS under conditions of free, axial and circumferential constraints on the nodes of disk hub, free without speed, axial and circumferential constraints on the nodes of disk hub at different speeds. Modal shapes of the wheel disc rotor in different conditions were compared. The result shows that the modal vibration can be weakened under the conditions of nodes of the wheel disc rotor constrained and speed loaded. Each natural frequency increases with the increase of speed. The modal of the wheel disc rotor is not influenced by constraint on the nodes. The research result provides theoretical support and important reference for further study on modal of rotor.

2095-2716(2016)01-0039-04

2015-09-29

2015-11-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:(51075063)。

TH113.1

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