增压风机转子三维建模技术探究

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1、增压风机转子三维建模技术探究摘要：应用有限元建立动叶可调增压风机转子的模型并研究其动力学特性。首先在ABAQUS有限元软件平台下，建立了动叶可调增压风机转子的三维实体模型，通过对VDLOAD子程序的二次开发实现了非线性滚动轴承力载荷的有效模拟，实现了动叶可调增压风机转子在滚动轴承支撑条件下的动力学三维仿真分析。其中，对于滚动轴承模型，充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及滚动轴承的实际接触角，并将改进后的滚动轴承模型与已有的结论作比较，达到了较好的一致性，说明用该模型来分析转子系统的动特性是可行的。

2、继而以该模型为基础，在转子不平衡和滚动轴承力的情况下，研究转子系统的动力学特性。并观察轴心轨迹图、频谱图，发现了一些规律，为以后在现场中出现类似的故障信号作指导，节省维修时间和费用，提高工作效率。关键词：转子ABAQUS滚动轴承轴心轨迹中图分类号：TP391.4文献标识码：A文章编号：1007-9416(2013)04-0106-02有限元技术是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元可以分析十分复杂的工程结构的机械性能，也可以对各种工程事故进行技术分析，它的实质就是把具有无限个自由度的连续系统，理想

3、化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题，它的模拟是对真实情况的数值近似；并且随着电子计算机技术和有限元数值仿真技术的发展，对大型设备进行数值仿真的计算技术更加趋于完善，计算结果的可信度也大大提高。现今的有限元分析软件很多，有ABAQUS、ANSYS等等,本文就利用ABAQUS有限元软件对动叶可调增压风机的转子进行了动特性研究。1动叶可调增压风机转子的计算模型1.1有限元模型的建立对动叶可调增压风机转子采用了实体建模，模型中包括螺栓、倒角、轴肩、退刀槽等细节结构，以期计算模型尽可能地接

4、近真实结构。在ABAQUS有限元软件中对于叶片这种曲面的绘制不理想，因此先利用Catia软件对增压风机进行了三维实体建模(如图1),然后将其模型导入ABAQUS软件中。(1)几何模型简化：数值仿真计算结果的正确与否以及精度的高低在很大程度上取决于有限元单元网格的质量。本文需要计算的是动叶可调增压风机转子的振动特性，所以简化的原则是不能改变结构的振动特性、刚度特性以及其他不影响计算的结构特性。在我们现阶段的研究中，并没有考虑由叶片产生的Alford力对转子轴系动力学特性的影响，而只是考虑了转子的偏心和轴承力这2个因素，

5、同时这里的叶片是变截面弯扭叶片，难于划分规则的网格，从而会降低计算精度。在传统的计算中，一般会按照叶片和轮盘的质量及转动惯量，将其模化为一点，附加在转子模型上进行求解,但这样就无法反映出分布质量和分布转动惯量对临界转速的影响，以及由轮盘和叶片产生的离心力对轴的刚度的影响。大量的计算实例证明，有限元三维实体模型将更贴近实际［1-3］o因此本文中没有将叶片作为附加质量建立在转子之上，而是采用了文献［4］中提出的等密度模化法，忽略了实际的叶轮与转子之间的键联结关系，并将增压风机转子与叶片构建为一个整体，且保证模化前后的质量

6、和转动惯量不变。另外，对于动叶可调增压风机转子这种复杂的设备，在进行有限元网格划分之前有必要对一些严重影响网格划分质量的部分（如倒角、轴肩、退刀槽等）进行适当的简化。在保证质量不变的情况下，本文将这些地方也进行了简化,改善了网格划分质量（如图2）。（2）有限元网格划分：有限元网格质量的好坏是进行有限元数值仿真的基础，对于动叶可调增压风机转子系统，本文选择了六面体缩减单元C3D8R,整个模型共有2538个单元，2992个节点。而且，由于缩减积分单元在显示动力学计算的过程中存在沙漏现象，即整个过程的动能和势能总和超过了总

7、能量值，使得结果精度变差，所以本文采用了uSecond-accuracyn的沙漏控制方法，对于网格的划分及计算的选择，是需要针对各自特定的使用场合，通过不断的试用和比较，来选取最合适自己所分析的问题的方案。1.2载荷施加在较支情况下，施加的载荷是：整个转子受重力的作用，然后可以通过修改密度来达到实现偏心的目的。对于滚动轴承力支承条件下，则将滚动轴承力施加在轴承处，但在ABAQUS中，像这种包含位移和速度参数的载荷并不能直接加载，需要借助于ABAQUS提供的二次开发平台subroutine来实现，就是选用其中的VDLO

8、AD子程序来写入。在ABAQUS中，并不能对单个节点加载这种载荷，只能在杆单元、面单元和体单元上加载，因此我们借助杆单元来将滚动轴承力加载在转子与轴承接触的地方。具体的方法是在ABAQUS中建立两段杆单元，分别与转子tie在一起，tie在一起的节点具有完全相同的位移及转速。将滚动轴承力加载在这两段杆单元上，如图3。2增压风机转子的动态响应分析2