在模拟旋转机械时，可通过研究振动对机器性能的影响来有效避免机器故障。为了实现这一目标，一种方法是使用新的“转子动力学模块”，它是 COMSOL Multiphysics® 软件“结构力学模块”的扩展模块。在本文中，我们将介绍“转子动力学模块”，带领你了解它的实用特征和功能，助你改进旋转机械设计流程。
转子动力学建模有哪些用途？
首先，我们简要介绍一下转子动力学建模。如之前发布的一篇博客所述，旋转机械具有广泛的应用，从航空航天技术到发电，遍及众多行业，转子动力学分析十分有助于加强旋转机械的功能，提高安全性。
举例来说，假设你要确保一台发电机（一种旋转机械）避免由设计欠佳导致的不稳定、破坏性共振和故障问题。这时你可以执行转子动力学分析，研究影响发电机物理特性的振动现象，以及由发电机的旋转和结构引起的振动加剧。
发电机（左)及其三维模型（右)。
借助仿真软件，你能够提高转子动力学研究的准确性和简易性。现在，加上“转子动力学模块”，这一过程会变得更加方便灵活。
“转子动力学模块”会帮助你设置正确的设计参数，分析共振、应力、应变以及横向和扭转振动效应对旋转机械的的影响，由此使响应保持在可接受的运行限制范围内。此外，你能进一步了解固定和移动的转子组件如何影响产品设计，并计算临界速度、固有频率和振型。在下一节中，我们将深入探讨一些具体的优点和功能。
为什么要使用“转子动力学模块”？
“转子动力学模块”的突出优势之一是其出色的灵活性。你可以轻松地自定义仿真分析，方便地研究旋转装配或整个结构的特定组成部分。
上述操作的第二项可通过“转子动力学模块”的实心转子 接口来实现，在有限元建模中，此接口使用三维 CAD 几何表示转子和实体单元。你可以通过研究旋转装配中的所有组件来生成最精确的结果。在分析转子的应力和变形时，你不需要去模拟整个系统，这样会提高仿真的精度。为了计算整个域中的应力分布和变形场分布，你必须将转子模拟为实心单元。
使用此接口时，你还能引入非线性几何效应，充分描述几何的不对称性，解释旋转软化效应和应力钢化效应等现象。
使用了 实心转子接口的曲轴模型，此模型用于分析轴承润滑层中的压力分布以及 von Mises 应力。
如果你希望降低模型的计算成本，该怎么办呢？梁转子 接口为旋转机械建模提供了一种计算效率更高的方式。在这个接口中，转子被定义为一条沿转子轴的边，其他旋转机器组件的定义方式是在各自的位置上创建点。
研究旋转机械的基础和轴承
此模块的另一个优点是简化了转子系统中两个关键单元——基础和轴承的建模过程。首先，基础被划分成三个不同的建模选项:
- 固定基础，即不会显著影响转子响应的基础
- 移动基础，即会经受外部振动的基础和轴承
- 柔性基础，即由于自身柔性而影响转子临界转速的基础
液体动压轴承中的压力模型。
安装在基础上方的组件便是轴承。首先介绍轴颈轴承，在“转子动力学模块”中你可以通过两种方式模拟轴颈轴承:
- 使用进行了一定近似处理的集总模型
- 模拟整个液体动压轴承，包括详细分析润滑压力和润滑油流
上述第二种方式利用了三个不同的接口，其中液体动压部分使用完整的雷诺方程计算。液体动压轴承 接口详细地模拟了轴颈轴承的性能，并且针对轴颈和轴套之间的润滑油提供了一种简易的模拟方法。实心转子与液体动压轴承 和梁转子与液体动压轴承 接口都可以分析转子、液体动压轴承以及二者间的相互作用。不过顾名思义，前者使用实体单元来描述转子，后者使用梁来定义近似处理后的转子。
如果你有兴趣模拟推力轴承，“转子动力学模块”为你准备好了一切。此模块包括三种类型的推力轴承及其特征：无间隙轴承、轴承刚度和阻尼系数，以及轴承力和力矩。
选择丰富的研究范围和绘图类型
利用上文介绍的特征和功能，你可以根据具体需求来设计模型。这还不是全部：“转子动力学模块”提供了更多自定义特征，包括多种可选的研究类型。
利用给定的研究类型，你可以轻而易举地模拟陀螺效应；与此同时，振动效应是从共转观察者的角度来模拟的。为此，我们使用了与转子同步旋转的坐标系，因此无需实际旋转转子就能模拟装配，建模流程得到了简化。在共转框架中建模时，可以对旋转系统执行特征频率分析；如果在固定空间框架中观察系统，旋转会呈非线性，故无法进行特征频率分析。适用于静态分析和动态分析的可选研究类型包括:
- 稳态研究
- 特征频率研究
- 频率与时域研究
- 带 FFT 的瞬态研究
请注意，对于转子动力学分析而言，稳态研究的定义和常规分析是不同的。
运行研究之后，你可以将研究结果绘制成图，并与他人一起分享。为此，你需要选择最能直观显示具体结果的绘图类型。下方四张图片对应了四种绘图类型，你可以根据自己的转子动力学分析选择一种进行创建。
回旋图绘制了沿轴的转子振型。
坎贝尔图绘制了转子的固有频率随速度的变化情况。
瀑布图绘制了频谱随转子角速度增加的变化情况。
轨道图绘制了转子在特定点上的位移情况，这些点包含了轴承和圆盘的位置。
单击下方的按钮，了解更多有关“转子动力学模块”的信息。如果你有任何问题，欢迎随时联系我们。祝建模愉快！
更多关于转子动力学分析的资源
- 浏览“COMSOL 博客”，了解有关旋转机械建模的信息：
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