基于ANSYS的輪盤轉子模態影響因素分析

韓彥龍，劉迎娟

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

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基于ANSYS的輪盤轉子模態影響因素分析

韓彥龍1，劉迎娟2

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

ANSYS；模態；影響因素

以某輪盤轉子為研究對象，運用有限元軟件ANSYS分別求得輪盤轉子在無約束、盤心節點軸向與周向約束、不同轉速下無約束和不同轉速下盤心節點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子的同階模態振型。研究結果表明：輪盤節點自由度約束和轉速的施加會減弱其各階模態振動；有約束時各階固有頻率比自由模態各階固有頻率均低；各階固有頻率隨著轉速的升高而增大；僅對輪盤施加轉速，無節點約束不影響轉子模態。該項研究結果為轉子的模態研究提供了理論支持與重要參考。

模態分析用于確定轉子的固有頻率和振型等振動特性，在進行高速旋轉機械的轉子動力設計時，需對轉動部件進行模態分析，求解出其固有頻率和相應的模態振型，通過合理的設計使其工作轉速盡量遠離轉子的固有頻率[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有所不同[3-5]。本文運用ANSYS軟件對影響輪盤轉子模態的因素進行了分析。

1 輪盤轉子有限元模型

1.1 參數設置與邊界條件

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，輪盤盤心節點軸向和周向固定，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。

輪盤截面與實體分別采用4節點平面單元PLANE42和8節點六面體單元SOLID45進行網格劃分。將完成網格劃分的輪盤截面繞定義的旋轉軸掃掠，形成輪盤轉子有限元模型，如圖2所示，輪盤轉子有限元模型包含5 832個節點3 816個單元。

圖2輪盤轉子有限元模型

2 影響輪盤轉子模態因素分析

2.1 輪盤各階固有頻率

基于上述輪盤轉子有限元模型，在ANSYS中運用Block Lanczos法對其進行模態分析，擴展模態數為6，提取輪盤0～5 000 Hz頻率范圍內前6階固有頻率，各組計算結果如表1所示。

表1 不同條件下輪盤轉子前6階固有頻率(Hz)

由第1組、第2組數據可知，盤心節點約束的輪盤轉子各階固有頻率要比自由狀態輪盤各階固有頻率均低，這是由于節點約束的施加限制了輪盤盤心節點軸向和周向振動，導致輪盤固有頻率降低。

由第2組、第3組數據可知，輪盤盤心均有約束條件下，施加轉速的輪盤產生了徑向離心力，使得輪盤轉子各階固有頻率有所升高。

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

由第1組、第8組數據可知，輪盤盤心節點未施加約束時，輪盤轉速的施加并不會改變輪盤的各階固有頻率。第8組～第12組數據顯示，輪盤節點無約束時，改變轉速并不會對輪盤轉子固有頻率造成影響。

2.2 輪盤轉子振型

輪盤不同條件下的第5階振型如圖3所示。

圖3 自由狀態第5階振型圖

圖4 無轉速有節點約束第5階振型圖

圖5 轉速24 000有約束第5 階振型圖

由圖3與圖4可知，輪盤盤心節點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，施加轉速的輪盤轉子振型變形與無轉速輪盤相比，振動有逐漸減弱的趨勢。

3 結論

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

(3)輪盤盤心約束和轉速的施加會減弱輪盤各階模態振動。

(4)高速旋轉轉子自由模態結果不能滿足工程要求，需考慮轉子支撐剛度、邊界約束及轉子轉速影響。

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

[2]賈延旭,張鎖懷,蔣賢龍. 基于ANSYS帶預緊力拉桿轉子模態分析[J]. 陜西科技大學學報,2014,32(05):148-151.

[3]李紅偉,于文濤,劉淑琴. 基于ANSYS的磁懸浮撓性轉子模態分析與設計[J]. 中國機械工程,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. 航空發動機渦輪葉片振動模態影響因素研究[J]. 空軍工程大學學報,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

國家自然科學基金項目:(51075063)。

TH113.1

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