Rotordynamics Module

Integrierte Interfaces

Die Simulationsplattform COMSOL Multiphysics^® und ihre Add-On-Module enthalten eine Reihe von vordefinierten Interfaces für bestimmte Physikbereiche. Das Rotordynamics Module bietet spezielle Interfaces für die genaue Modellierung von Rotoren und Lagern. Das Interface Solid Rotor dient der Modellierung eines Rotors als vollständiges geometrisches 3D-Modell, das mit einer CAD-Software oder mit den integrierten CAD-Funktionen von COMSOL Multiphysics^® erstellt wurde. Das Interface Beam Rotor bietet eine weniger rechenintensive Methode, bei der der Rotor als 1D-Balken modelliert wird und die Rotorkomponenten als Punkte innerhalb des Modells implementiert werden können.

Die Interfaces Solid Rotor und Beam Rotor können zur Berechnung von Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Spannungen verwendet werden. Für die detaillierte Modellierung eines Lagers, das einen Schmierfilm enthält, steht das Interface Hydrodynamic Bearing zur Verfügung.

Beam Rotor

Die Modellierung von Rotorsystemen wird schnell rechenintensiv. Daher ist es gängige Praxis, die Darstellung der Welle zu vereinfachen. In vielen Fällen kann die Gesamtdynamik eines Rotors durch die Verwendung eines speziellen Balkenelements ausreichend modelliert werden.

Für diese Art der Analyse wird eine Liniendarstellung verwendet, die eine effektive geometrische Beschreibung nutzt, die durch die Querschnittseigenschaften der Welle bestimmt wird. Dieser Ansatz kann zum Beispiel besonders hilfreich sein, wenn es um Rotorsysteme geht, die aus achsensymmetrischen Wellen mit ideal steifen Scheiben bestehen. Das Balkenrotormodell kann auch für Simulationen von Rotoren verwendet werden, bei denen die Rotorverschiebungen begrenzt sind.

Abstrakte Lager

Oft werden Rotoren durch Lager gestützt, um laterale und/oder axiale Bewegungen an bestimmten Stellen zu verhindern. Das Rotordynamics Module enthält eine Reihe von abstrakten Lagern, die mithilfe einer impliziten Lagerbeschreibung modelliert werden. Dazu gehören verschiedene Arten von Lagern, wie beispielsweise:

• Gleitlager
• Axiallager
• Radialrollenlager
• Aktive Magnetlager
• Mehrspindellager

Innerhalb dieser Kategorien sind mehrere Varianten verfügbar. Nehmen Sie zum Beispiel die Option Radial Roller Bearing , bei der es ein- und zweireihige Varianten geben kann, die verschiedene Lagerarten umfassen, wie zum Beispiel:

• Rillenkugellager
• Schrägkugellager
• Selbstausrichtende Kugellager
• Pendelrollenlager
• Zylinderrollenlager
• Kegelrollenlager

Fundament

Die strukturellen Komponenten, auf denen rotortragende Systeme ruhen, manchmal auch als Fundament bezeichnet, können auf verschiedenen Komplexitätsstufen modelliert werden. Folgende Optionen für das Fundament stehen zur Auswahl:

• Fest
• Flexibel
• Beweglich

Wenn das Fundament deutlich steifer ist als der Rotor und seine Stützen, kann die Option Fixed Foundation verwendet werden, die davon ausgeht, dass das Lager starr im Raum befestigt ist. Alternativ dazu imitiert die Option Flexible Foundation die Flexibilität des Fundaments mithilfe einer Reihe von flexiblen Federn. Für Szenarien, in denen die Bewegungen des Lagerfundaments explizit berücksichtigt werden müssen, kann die Option Moving Foundation gewählt werden.

Component Mode Synthesis (CMS)

Im Rotordynamics Module ermöglicht die Craig-Bampton-Methode die Reduzierung linearer Komponenten auf rechnerisch effiziente Modelle reduzierter Ordnung für tragende Fundamente. Diese Komponenten können dann in ein Modell integriert werden, das ausschließlich aus reduzierten Komponenten besteht, oder mit nicht reduzierten elastischen Finite-Elemente-Modellen (FE-Modellen) kombiniert werden, die nichtlineare Komponenten enthalten können. Diese Technik, die als Component Mode Synthesis oder Dynamic Substructuring bekannt ist, reduziert sowohl die Rechenzeit als auch den Speicherbedarf erheblich.

Ergebnisse und Visualisierung

Das Rotordynamics Module bietet Funktionen zur Erstellung klarer und übersichtlicher Visualisierungen von Simulationsergebnissen und zur Bereitstellung der Daten für die spätere Verwendung und Analyse. Es enthält auch eine Vielzahl von Plot-Typen, die speziell für Rotordynamik-Anwendungen geeignet sind, darunter:

• Whirl-Plots, die die Modenformen eines um die Rotorachse rotierenden Rotors in diskreten Rotationsintervallen aufzeichnen
• Campbell-Diagramme, die Variationen der Eigenfrequenzen des Rotors in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl darstellen
• Stabilitätsdiagramme, die die Entwicklung des Dämpfungsverhältnisses, typischerweise als Funktion der Drehzahl, visualisieren
• Wasserfalldiagramme, die Variationen des Frequenzspektrums als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit darstellen
• Orbit-Plots, die die Verschiebung an bestimmten Rotorkomponenten (oder Punkten) zeigen, zum Beispiel an Scheiben und Lagern

Multiphysik-Interfaces und -Kopplungen

Im Rotordynamics Module stehen Multiphysik-Kopplungen zur Verfügung, mit denen Sie die Auswirkungen von Oil-Whirl- und Oil-Whip-Phänomenen erfassen können. Zur Modellierung eines 3D-Rotors mit einem hydrodynamischen Lager und den Wechselwirkungen zwischen ihnen kann das Multiphysik-Interface Solid Rotor with Hydrodynamic Bearing verwendet werden. Dieses Interface kombiniert die Interfaces Solid Rotor und Hydrodynamic Bearing durch die Multiphysik-Kopplung Solid Rotor-Bearing Coupling. Diese Kopplung überträgt die Geschwindigkeits- und Verschiebungsinformationen vom Interface Solid Rotor zum Interface Hydrodynamic Bearing.

Um einen als Balken definierten Rotor und ein hydrodynamisches Lager sowie die Wechselwirkungen zwischen beiden zu modellieren, kombiniert das Multiphysik-Interface Beam Rotor with Hydrodynamic Bearing die Interfaces Beam Rotor und Hydrodynamic Bearing durch die Multiphysik-Kopplung Beam Rotor-Bearing Coupling.

Solid Rotor

Bei einigen Anwendungen ist es nicht möglich, Faktoren wie die Asymmetrie des Rotors, Querschnittsverformungen oder die Dynamik von Scheiben, Rotorblättern und anderen Anbauteilen zu ignorieren. In diesen Fällen kann die Geometrie explizit mit einer vollständigen 3D-Darstellung des Rotors modelliert werden.

Dieser Ansatz erfasst durch seine zugrunde liegende Kontinuumsbeschreibung automatisch die Auswirkungen von Drehdämpfung (Spin Softening) und Spannungsversteifung (Stress Stiffening) und bietet die genaueste Darstellung des Verhaltens von Rotoren unter verschiedenen Bedingungen.

Hydrodynamische Lager

Für anspruchsvollere Simulationen von Rotoren, die von Fluidfilmlagern getragen werden, kann das Interface Hydrodynamic Bearing verwendet werden. Dieses Interface ermöglicht die Untersuchung der Druckverteilung, des Geschwindigkeitsfeldes und der Leistungsverluste in einem Fluidfilm. Bei der Verwendung von Flüssigkeiten als Schmiermittel können einfache Analysen mit der Reynolds-Gleichung durchgeführt oder die Kavitation mit der Jakobsson-Floberg-Olsson- (JFO-) Kavitationstheorie berücksichtigt werden. Für gasgeschmierte Lager wird eine modifizierte Reynolds-Gleichung verwendet.

Das Interface Hydrodynamic Bearing kann für die Modellierung verschiedener vordefinierter Typen von Lagern und Dämpfern oder auch vom Benutzer festgelegter Typen verwendet werden. Zu den vordefinierten Typen gehören:

• Hydrodynamische Gleitlager:
  • Zylindrisch
  • Elliptisch
  • Getrennte Hälften
  • Multilobe
  • Kippsegment
• Hydrodynamische Drucklager:
  • Stufenförmig
  • Keilflächen
  • Kippsegment
• Schwimmbuchsenlager
• Quetschfilmdämpfer

Es ist auch möglich, Einlässe, Auslässe oder Lagerverschiebungen anzugeben, um das jeweilige Lager darzustellen.

Materialmodelle

Im Rotordynamics Module wird das Feature Linear Elastic Material als Standardmaterialmodell verwendet. Dieses Feature fügt Gleichungen für die Verschiebungen in einem linear elastischen Rotor hinzu und kann die elastischen und Trägheitseigenschaften eines Materials definieren. Die Gleichungen in diesem Feature berücksichtigen die Beschleunigungskräfte des Rahmens, die durch die Rotation des Rotors entstehen. Viele andere Effekte können ebenfalls berücksichtigt werden, beispielsweise die thermische Expansion, anfängliche und externe Spannungen und Dehnungen sowie die Dämpfung.

Studientypen

Das Rotordynamics Module bietet eine Vielzahl von Studientypen für statische und dynamische Analysen von Rotorsystemen. Dazu gehören parametrische Studien zur Untersuchung des Verhaltens eines Rotors unter verschiedenen Bedingungen, wie zum Beispiel variierende Massenexzentrizitäten, mithilfe der Studie Stationary. Die Studie Eigenfrequency hingegen ist besonders nützlich, um stabile Betriebsbereiche und kritische Drehzahlen zu ermitteln, indem wiederholte Eigenfrequenzanalysen über einen Bereich von Drehzahlen durchgeführt werden.

Für Szenarien, in denen alle auf den Rotor wirkenden Lasten zeitlich harmonisch sind, berechnet die Studie Frequency Domain die Reaktion des Rotors. Die Studie Time Domain kann verwendet werden, wenn Sie die Trägheitseffekte von Unwuchten und deren zeitliche Veränderungen relativ zum Gleichlaufsystem berücksichtigen möchten.

Die Studie Transient with FFT führt einen parametrischen Sweep über die Winkelgeschwindigkeit eines Rotors durch und umfasst eine Simulation im Zeitbereich, gefolgt von einer schnellen Fourier-Transformation (FFT). Dieser Studientyp ist rechenintensiv, aber vorteilhaft, wenn subsynchrone und supersynchrone Schwingungen im Rotor-Lager-System vorherrschen.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

Das Rotordynamics Module kann mit anderen Produkten der COMSOL Produktpalette kombiniert werden, um gekoppelte Simulationen und Multiphysik-Analysen durchzuführen. Dies ermöglicht eine tiefgreifende Untersuchung verschiedener physikalischer Effekte auf ein Rotorsystem. Durch die Kombination des Rotordynamics Module mit dem Multibody Dynamics Module können beispielsweise transiente Simulationen durchgeführt werden, um die Schwingungen eines Getrieberotors vorherzusagen, wenn dieser einem externen Drehmoment ausgesetzt ist. Ebenso kann das Rotordynamics Module zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer von Stator- und Rotorkomponenten nahtlos mit dem Fatigue Module kombiniert werden.