ANSYS中的转子动力学计算

时间：2026-01-23

ANSYS中的转子动力学计算

安世亚太许明财

转子动力学是固体力学的一个重要分支，它主要研究旋转机械的“转子－支承”系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，其主要研究内容有几个方面：临界转速、动力响应、稳定性、动平衡技术和支承设计。在旋转机械研究设计中，转子动力学的性能分析是极其重要的一个方面。

旋转机械广泛应用于以下领域: y 涡轮机械 y 能量站 y 机械工具 y 汽车

y 家用器械 y 航空领域 y 船舶推进系统 y 医疗器械 y 计算机设备

传统的转子动力学分析采用传递矩阵方法进行，由于将大量的结构信息简化为极为简单的集中质量—梁模型，不能确保模型的完整性和分析的准确度；而有限元在处理转子动力学问题时，可以很好地兼顾模型的完整性和计算的效率，但多年来转子的“陀螺效应”一直是

ANSYS 很好地解决了动力特性分析中“陀螺效制约转子动力学有限元分析的“瓶颈”问题。

应”影响的问题，而且陀螺效应的考虑不受计算模型上的限制，使得转子动力学有限元分析变得简单高效。

本文对ANSYS 的转子动力学计算功能进行简要介绍。

1 ANSYS转子动力学的理论基础

ANSYS 转子动力学分析中，两种参考坐标系可供选择：静止坐标系和旋转坐标系。空间点P在静止坐标系（其原点在O′）下的位置矢量为r′，在旋转坐标系（其原点在O）下的位置矢量为r。

&}+([C]+[Cgyr]){u&}+[K]{u}={F} [M]{&u

在静止坐标系下转子的动力方程为：

式中:[Cgyr]为陀螺效应矩阵

在旋转坐标系下转子的动力方程为：

&}+([C]+[Ccor]){u&}+([K] [K[M]{&uspin]){ur}={F} rr

式中:[Ccor]为哥氏效应矩阵, [Kspin]为旋转软化效应刚度矩阵

2 ANSYS转子动力学的计算功能和新技术

ANSYS 转子动力学计算包含如下功能：

y 无阻尼临界转速分析 y 不平衡响应分析 y 阻尼特征值分析 y 涡动和稳定性预测典型的应用包括: y 轴的弯曲变形 y 扭转振动 y 转子轴未对准 y 旋转部分的平衡 y 流制振动

为了分析时计入哥氏效应、陀螺效应和支承的影响，ANSYS 发展了下列新技术单元：

SHELL181 PLANE182 PLANE183 SOLID185 SOLID186 SOLID187 BEAM188 BEAM189 SOLSH190 COMBIN214

4节点有限应变壳单元二维4节点结构实体单元二维8节点结构实体单元三维8节点结构实体单元三维20节点结构实体单元三维10节点四面体结构实体单元

三维一次有限应变梁单元三维二次有限应变梁单元三维8节点层合实体-壳单元二维轴承单元(可变刚度和阻尼)

ANSYS考虑陀螺效应时没有计算模型上的限制，故可选择一维（梁、管）、二维（轴对称）和三维复杂计算模型进行分析。同时，ANSYS 还提供了一系列功能以完善转子动力学的计算，包括：

y CMOMEGA 可以通过组（component CM_NAME）对多个转子指定不同的转速 y CORIOLIS 可以考虑哥氏效应在不同参考坐标系下的影响 y PLCAMP 可绘制坎贝尔图，为临界转速的确定提供了方便 y PRCAMP 可打印固有频率和临界转速 y CAMPB 可绘制预应力结构的坎贝尔图。 y PRORB 可打印出转子涡动幅值

y PLORB 可绘制转子不同截面的涡动轨迹

y SYNCHRO可以指定激励频率是否与结构速度同步 y 多轴转子

y 正向/反向旋转和不稳定性

3 实例

实例1：梁单元与实体单元比较

coriolis,on

omega,2*62.832,0,0

不同单元结果比较

First Bending Second Bending

Torsion Third Bending

185单元

196.42 236.28 658.52 698.06 782.58 1340.9 1380.0