当前位置： 旋转机 >> 旋转机前景 >> 旋转机械模态分析干模态湿模态预应
旋转机械流固耦合系统分析专题
旋转机械模态分析
——干模态、湿模态、预应力模态分析
1仿真对象简述模态分析选取有限元计算域为叶轮轮毂以及叶片部分，如果要求更高可以加入轴系部分。1.1仿真内容1)进行初步干模态分析，确定转轮部分固有频率，以此来和后面分析得到的流体激励频率对比研究，来确定是否发生共振，以及共振频率和共振模态。结构力学计算域如图所示(如果想计算的更加详细，可以把轴系部分也建模)；2)因为转轮部分是浸没在水中的，为了让计算更加精确，进行湿模态分析，同时与上面结果对比分析，得到干、湿模态的计算差距。因为水的阻尼作用和附加质量力，湿模态振动频率要略低于干模态计算结果；3)预应力模态分析就是将提前计算好的流体压力施加在结构域表面，进行模态计算。2研究方法与依据2.1研究方法概述结构模态分析一般都是默认在空气中的干模态分析，而轴流泵叶轮在实际运作时是处于水中的，由水弹性及阻尼的影响，叶轮的模态与其处于空气中时常规的干模态有所差距，因此需要进行叶轮浸没于水中时的湿模态分析。干模态分析在建模时只需要建立结构部分的模型即可，不需要考虑空气部分的模型。而进行叶片湿模态时，需要同时建立叶片周围的水域模型，以模拟叶片在水中的振动状态。
叶轮模态分析的作用在于获得叶轮的振动特征，以便得到叶轮的固有频率及其振型，这是其他结构振动分析、动力分析乃至流－固耦合研究的基础。
叶轮模态分析的主要作用就是在叶轮设计阶段计算出叶轮的各阶频率及振型，以避免叶轮在加工后投入使用时因共振而发生恶劣的结构破坏而带来巨大的经济损失甚至是威胁人身安全。在ＡＮＳＹＳ环境下，进行模态分析只能是线性结构，其他的类似于塑性材料以及接触单元等等之类的一切非线性的构件，都会在进行ＡＮＳＹＳ有限元模态分析时被自动抑制。
结构模态分析一般都是默认在空气中的干模态分析，而轴流泵叶轮在实际运作时是处于水中的，由水弹性及阻尼的影响，叶轮的模态与其处于空气中时常规的干模态有所差距，因此需要进行叶轮浸没于水中时的湿模态分析。干模态分析在建模时只需要建立结构部分的模型即可，不需要考虑空气部分的模型。而进行叶片湿模态时，需要同时建立叶片周围的水域模型，以模拟叶片在水中的振动状态。
2.2网格划分技术直接用Model中的自动网格划分方法就可以，全局网格尺寸给定为10mm，由于叶片较薄，为了保证计算精度，对叶片进行局部加密处理，和为加密的对比图如下所示，其计算精度肯定更高，有限元分析其划分的单元数量也是越多越好的。网格总节点数为，网格总数个。
加密后网格
3仿真设置及基本过程3.1干模态分析设置
模态分析还是很简单的，首先算一个自由振动模态，然后在轮毂上施加固定约束后，进行有约束条件的振动模态分析。
只需要修改这里计算的模态阶数就行，我这里设置了计算10阶模态振型。一般算8阶就可。
然后什么也不用设置，进行计算即可。
计算结果如下：
模态阶数
共振频率Hz
1
0
2
0
3
1.e-
4
2.e-
5
3.e-
6
5.e-
7
.31
8
.53
9
.51
10
.61
各阶振型如下图所示：
一阶模态振型
二阶模态振型
三阶模态振型
3.2湿模态分析设置
湿模态仿真需要建模出流体域来，也是就模拟真实叶轮运行中被水包围的状态，其模型如图所示。
由于湿模态考虑了水的附加质量力以及阻尼，需要用到声学模态那个模块。
同样导入几何模型，这个模型是流体＋固体的组合模型
分别对固体域和流体域指定材料
设置流体域，软件会自动捕捉流固交界面
将求解器改为非对称求解器
设置约束等，开始计算。
3.3预应力模态分析设置
预应力模态分析顾名思义就是在模态分析之前，在转轮及叶片表面施加一个提前流体计算的到的预应力在上面，研究实际工作中转轮叶片受力情况下的故意频率。
预应力模态分析模块搭建在Workbench中进行，主要包括cfx或者fluent，提供流体计算的结果，然后还有StaticStructural模块，计算应力分布，最后将其结果施加在模态分析模块进行预应力模态分析。
在静力学模块中导入结构模块
打开设置模块后，首先进行网格划分，跟之前干模态网格划分方法一样，然后将流体计算结果导入，导入过程如图。
选择要导入流体压力的面
添加重力、离心力、固定约束等条件
把流体压力以矢量形式进行导入，随后求解模态
这里只提取第6阶模态分析结果与之前干模态、湿模特进行分析对比。
下期预告：
旋转机械单向流固耦合模拟
奈思流固耦合小课堂