基于ANSYS的轮盘转子模态影响因素分析

韩彦龙，刘迎娟

( 1. 承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000；2. 华北理工大学 迁安学院，河北 唐山 064400)



基于ANSYS的轮盘转子模态影响因素分析

韩彦龙1，刘迎娟2

( 1. 承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000；2. 华北理工大学 迁安学院，河北 唐山 064400)

ANSYS；模态；影响因素

以某轮盘转子为研究对象，运用有限元软件ANSYS分别求得轮盘转子在无约束、盘心节点轴向与周向约束、不同转速下无约束和不同转速下盘心节点轴向与周向约束条件下的前6阶固有频率；对比了不同条件下轮盘转子的同阶模态振型。研究结果表明：轮盘节点自由度约束和转速的施加会减弱其各阶模态振动；有约束时各阶固有频率比自由模态各阶固有频率均低；各阶固有频率随着转速的升高而增大；仅对轮盘施加转速，无节点约束不影响转子模态。该项研究结果为转子的模态研究提供了理论支持与重要参考。

模态分析用于确定转子的固有频率和振型等振动特性，在进行高速旋转机械的转子动力设计时，需对转动部件进行模态分析，求解出其固有频率和相应的模态振型，通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子的固有频率[1,2]。对于高速部件，工作时由于受到离心力及支撑约束等因素的影响，其振动特性与自由状态有所不同[3-5]。本文运用ANSYS软件对影响轮盘转子模态的因素进行了分析。

1 轮盘转子有限元模型

1.1 参数设置与边界条件

轮盘材料为45钢，其弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.8×10-9 t/mm3。由轮盘安装条件可知，轮盘盘心节点轴向和周向固定，径向自由。

图1 轮盘截面形状和尺寸

1.2 旋转截面形成轮盘有限元模型

轮盘截面形状和尺寸如图1所示。

轮盘截面与实体分别采用4节点平面单元PLANE42和8节点六面体单元SOLID45进行网格划分。将完成网格划分的轮盘截面绕定义的旋转轴扫掠，形成轮盘转子有限元模型，如图2所示，轮盘转子有限元模型包含5 832个节点3 816个单元。

图2轮盘转子有限元模型

2 影响轮盘转子模态因素分析

2.1 轮盘各阶固有频率

基于上述轮盘转子有限元模型，在ANSYS中运用Block Lanczos法对其进行模态分析，扩展模态数为6，提取轮盘0～5 000 Hz频率范围内前6阶固有频率，各组计算结果如表1所示。

表1 不同条件下轮盘转子前6阶固有频率(Hz)

由第1组、第2组数据可知，盘心节点约束的轮盘转子各阶固有频率要比自由状态轮盘各阶固有频率均低，这是由于节点约束的施加限制了轮盘盘心节点轴向和周向振动，导致轮盘固有频率降低。

由第2组、第3组数据可知，轮盘盘心均有约束条件下，施加转速的轮盘产生了径向离心力，使得轮盘转子各阶固有频率有所升高。

由第3组～第7组数据可知，随着轮盘转子转速的增加，轮盘各阶固有频率有逐渐升高的趋势，这是由于转速的升高产生了逐渐增大的轮盘径向离心力。

由第1组、第8组数据可知，轮盘盘心节点未施加约束时，轮盘转速的施加并不会改变轮盘的各阶固有频率。第8组～第12组数据显示，轮盘节点无约束时，改变转速并不会对轮盘转子固有频率造成影响。

2.2 轮盘转子振型

轮盘不同条件下的第5阶振型如图3所示。

图3 自由状态第5阶振型图

图4 无转速有节点约束第5阶振型图

图5 转速24 000有约束第5 阶振型图

由图3与图4可知，轮盘盘心节点约束限制了轮盘轴向和周向振动，从而削弱了轮盘的各阶模态振型，使得轮盘各阶振型变形变小。由图4与图5可知，施加转速的轮盘转子振型变形与无转速轮盘相比，振动有逐渐减弱的趋势。

3 结论

(1)轮盘节点自由度约束会减弱轮盘的振动，使得轮盘各阶固有频率降低。

(2)轮盘转速的施加会产生轮盘径向离心力，使得轮盘各阶固有频率升高；随着转速的升高，轮盘各阶固有频率有逐渐升高的趋势。

(3)轮盘盘心约束和转速的施加会减弱轮盘各阶模态振动。

(4)高速旋转转子自由模态结果不能满足工程要求，需考虑转子支撑刚度、边界约束及转子转速影响。

[1]韩彦龙.空分压缩机多机组轴系模态分析[J].承德石油高等专科学校学报,2015,17(01):21-24.

[2]贾延旭,张锁怀,蒋贤龙. 基于ANSYS带预紧力拉杆转子模态分析[J]. 陕西科技大学学报,2014,32(05):148-151.

[3]李红伟,于文涛,刘淑琴. 基于ANSYS的磁悬浮挠性转子模态分析与设计[J]. 中国机械工程,2014,11(06):1447-1452+1459.

[4]金勇,田宇忠,刘正林. 水润滑橡胶尾轴承模态影响因素分析[J]. 润滑与密封,2011,36(09):10-13+23.

[5]李春旺,李海云,王澈,等. 航空发动机涡轮叶片振动模态影响因素研究[J]. 空军工程大学学报,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

国家自然科学基金项目:(51075063)。

TH113.1

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