航空领域转子动力学数值分析中的SAMCEF

一、简介

　　SAMTECH公司是世界著名的有限元软件SAMCEF的开发商及供应商，公司成立于1986年，专注于机械系统仿真、数值分析和多学科优化等领域。25年来，SAMTECH凭借其强大的技术实力、专业的技术团队及完善的服务体系赢得了全球众多工业用户及科研用户的青睐。2007年10月成立的SAMTECH公司北京代表处是SAMTECH公司在中国地区的分支机构，全面负责SAMTECH软件在中国的推广，以及软件的技术服务工作。

　　转子动力学分析是判断航空发动机运行稳定性和可靠性的重要依据，也是提高系统效率、延长使用寿命以及实现系统优化设计的技术和理论基础。SAMCEF FOR ROTOR是专业的转子动力学分析软件，通过对转子、定子和连接部件等各种结构的分析，评价结构的动力学稳定性和设计可靠性。在航空发动机设计分析领域有着广泛应用，是世界范围内最著名的商用转子动力学软件，包含多种转子模型的定义，如图1、图2所示。

　　二、模型及其他

　　1.一维模型：梁-刚性盘-弹簧模型

　　转子采用梁单元模拟，轴承采用弹簧单元模拟，轮盘采用集中质量单元模拟。这种模型计算速度快，适用于有大量设计参数需要进行调整的初步分析。一维模型，如图3所示。

　　2.二维模型：傅里叶多谐波轴对称模型

　　转子采用2D傅里叶多谐波单元模拟，可以准确地描述结构的轴向变形、扭转变形和弯曲变形。这种模型适合对转子结构创建更精细的计算分析模型，还非常适合于叶片数量较大的转子模型。二维模型，如图4所示。

　　3.三维模型：(多级)循环对称模型或3D模型

　　转子采用3D有限元实体单元模拟，可以更详细、更精确地描述发动机的几何特性，能够使计算结果更准确。这种模型更适用于结构弯扭振动耦合作用明显时，或者叶轮、风扇等较复杂的几何模型。三维模型，如图5、图6所示。

　　4.连接部件

　　连接部件，包括：轴承、密封和线性轴承单元;考虑了压力、齿形和锥度角的齿轮单元模型;滚动轴承、滑动轴承、动压轴承和静压轴承;建立在传递函数上的电磁轴承;非线性Bushing套管单元(多用途);挤压油膜阻尼器和结构阻尼器，如图7所示。

　　5.基础和支撑机构

　　既可以精确建模又可以等效为质量、刚度与阻尼的系统，从而做出整体系统分析，同时考虑整个系统的动力学特性。转子和静子可以是不同维度的模型，SAMCEF FOR ROTOR为联用不同模型提供了的特殊衔接单元，此特有功能也为用户在软件使用过程中提供了极大的便利，如图8所示。

　　三、常用分析类别

　　(1)临界转速计算——计算转子系统在不同基频下的特征值，同时得到相应的位移、动量、应变能和动能的分布，并且可以自动输出坎贝尔图(Campbell’s Diagrams)和奈奎斯特图(Nyquist’s Diagram)。

　　(2)线性谐响应分析——载荷可以是同步载荷(如结构不平衡力)或非同步载荷(如重力、旋转流体力等)。

　　(3)非线性谐响应分析——考虑非线性支撑、轴承间隙等非线性因素的谐响应分析。

　　(4)非线性瞬态响应分析——系统启动和终止过程中的加速与减速分析，可以考虑如叶片损伤断裂等瞬态冲击力造成的非平衡力效应。

　　(5)超单元的生成和恢复(子结构法)——通过等效缩减刚度、质量和阻尼矩阵，应用动态超单元降低模型的规模，常用于分析大型复杂的结构或者系统整体分析，如图9所示。

　　SAMCEF FOR ROTOR软件考虑了转子动力学设计的特殊难点问题，能够准确描述整个转子系统的动力学行为，确保计算的准确性和可靠性。其中，主要考虑的问题有：陀螺效应;结构刚化和软化;结构阻尼;弯扭振动耦合;连接部件作用。

　　四、软件主要特色

　　(1)丰富的建模选择——根据用户分析需求和偏好，SAMCEF FOR ROTOR软件为用户提供了多种建模选择。其中，傅立叶多谐波模型和3D多级循环对称模型，更是为用户创造了极大的便利。

　　(2)整体结构分析——SAMCEF FOR ROTOR即能够进行单一转子部分的分析，又可以实现转子静子整体结构分析，其,包含的特殊衔接单元可以使不同维度模型的联用成为可能，极大地提高了工作效率。

　　(3)全备的分析类型——用户可以根据分析目的，在静态分析、模态分析、临界转速及稳定性分析、线性及非线性谐响应分析(动平衡)、瞬态分析以及超单元运用等各项分析功能中灵活选择，使研发过程得心应手。

　　(4)精准高效的算法——SAMCEF FOR ROTOR在开发过程中非常注重软件的运行效率，一系列算法既可以保留默认，又可以由用户根据需求自行选择，在保证工作效率的同时使结果具有更高的精确性。

　　(5)便捷的后处理程序——转子动力学分析往往需要复杂的结果后处理，SAMCEF FOR ROTOR为用户充分考虑了这一点。丰富的输出结果选项可以让用户得到所有后续可能应用到的结果，各种图表的自动绘制功能允许用户方便快捷地查看结果。