【拉布索思】转动轴的受力分析及谐响应分析

拉布索思

感谢各位的指导，让我意识到这应该是一个转子动力学的问题。这方面不太了解，后来我问过相关专家，发现这个问题确实不是我想像中那么简单，还会涉及到陀螺效应。所以我下面的分析不太正确，希望大家以辩证的态度来看这个例子。

但是如果忽略陀螺效应的影响，下面的分析还是有参考价值的。或者大家就把这个贴简单地看成是刚体动力学与谐响应分析的一个例子，可以忽略我对这个问题的理论分析（下面绿色字体的内容）。希望大家对我批评指正，共同进步，谢谢！

问题描述：电机驱动轴转动时的受力情况是怎么样？为什么要做谐响应分析？怎样做？
个人见解：
理论上，圆轴在匀速转动时的是不受力的（忽略摩擦），那我们为什么总是要分析它的受力情况呢，为什么总是害怕电机转速接近固有频率（主要指低频）呢，做谐响应的目的何在？这是因为理论跟实际不相符。模型本身不对称，生产加工过程中的质心偏移，或安装过程中的偏置等，都会使质心不在转动轴上，偏心会使得转动时出现惯性力F=m*e*w^2。这个径向力就会使轴在转动时产生振动（分解为x和y单向振动），由于存在振动就要应该进行模态分析和谐响应分析。所以拿一个“完美”的对称的轴来分析谐响应是没什么意义的。搞清楚问题就可以分析了：

1.建模：挖一小孔让它偏心。


2.用rigid dynamic求惯性力大小：用刚体是因为刚体算得快很多，而且我不关心变形和应力。这个分析的几个主要设置（左图是因为默认的参考坐标系原点不在圆心，所以要把它改过来）：
      
   

结果（结果动画就请大家下载附件来看）：x和y向最大值均约为32N：




3.模态分析：这里不能用刚体了，网格用的是multizone，蓝色区域fixed support：
   

结果：这里只关心前两阶，因为前两阶是x和y向位移，其频率是7366.8 Hz和7509.3 Hz。

拉布索思

4.谐响应分析：红色区域force，分析频段7300-7600Hz，没设置阻尼；力是径向力，大小不变，但方向是圆周变化，所以我把它分解为两个力，x和y向，大小均为32N，最重要的是这两个力的相位差是90度，所以设x的相位角为0，y为90，不然就实现不了圆周变化了。
   
   

结果：上表面x向位移图：
   
y向：


由于第一阶振型主要是沿x向变形，第二阶沿y向，所以x向位移能明显反映出第一阶，y则第二阶。
其它结果（如在7367Hz的位移云图主要是沿x向变形的动画等）不一一列出了，请看附件。

注：这个分析是有问题的，我在谐响应加的力是rigid dynamic求出来的力，而这个力是在转速1000rad/s（约160Hz）的状态求得的，跟做谐响应的频段对不上。这里做谐响其实应该用工作频率（如例子中的0-160Hz）的，但因为这个频率远离基频，效果不大，所以就做了前两阶频率附近的谐响应。有兴趣的可以先用rigid dynamic算出7450Hz左右的惯性力，再做这频段内的谐响应。另外，谐响应是算稳态激励下的响应，所以激励是不能设置成随频率变化的，所以算惯性力时只能取分析频段内某有代表性的值，比如在7300-7600内我可以取中间值7450，而0-160可取最大值160。如果要比较准确，那就要用瞬态分析了，但计算时间要长很多。

欢迎指正！

拉布索思

模型文件：

camialze

楼主有心了；
这个例子对理解modal analysis 和 harmonic analysis 还是很有帮助的！

lijianmin

太不错了，楼主，那force只在一个里面定义x、y方向的大小可以么？

jg_meng

例子不错，比较关注阻尼的问题，楼主能否分享一些心得和理解啊？

lijianmin

lz，你谐响应分析之前做了个什么分析啊？我的软件怎么不能在静力分析跟模态分析之后做谐响应？

拉布索思

7# lijianmin

只在一个里面定义就定义不了相位差了。

workbench好像不能直接做有预应力的谐响应分析。

拉布索思

6# jg_meng

我这例子是没有加阻尼的，也没有试过用这个例子加，有空会试试。
但应该得出的曲线要较为平缓，最大值也会在固有频率偏左，但如果阻尼不大（通常不大），结果差别应该不大。

lijianmin

我是觉得那离心力本来就是一个力，x、y只是他的分力吧，定义到一个里面不就是一个简协力么？相位把我弄糊涂了，还有问题就是如果加入了质量点，给了remote force，好像这个力不能给相位唉 8# 拉布索思

行空

对不起，我对搂主的分析不敢苟同。您的分析应属于转子动力学，横向振动的不平衡响应，但概念不对，请看帮助里转子动力学的部分，相关标准请看API -684

拉布索思

10# lijianmin

我这么说吧，谐响应加的力可表达为 F=Acos（wt+q），A振幅，w圆频率（角速度），q初相位。
那这个离心力分解为x，y方向就应该是Fx=Acos（wt），Fy=Asin（wt）=cos（wt-90），所以就要有个相位差。如果像你说的定义到一个里面，那就变成了Fx和Fy合力（就是45度方向）的单向振动。

拉布索思

11# 行空

愿闻其详。
希望您指出您觉得我哪个分析不正确，哪个概念不对，是刚体动力学分析还是谐响应分析？
愿不吝赐教，谢谢！

lijianmin

明白了楼主，谢谢，按照我想的那个是力在一个方向上大小在变化，而方向确定了，实际上我们要这个力取幅值不变，总的力的方向在旋转变化，呵呵，不知道这次理解对了没有~~ 12# 拉布索思

nanjingwuhan

5# lijianmin x的相位角为0，y为90，不然就实现不了圆周变化了。
我想楼主这个例子让大家直观的认识模态，谐响应的区别，对我偶们有很大的帮助， 至于属于那一个学科，不是一个简单的例子就能够完全把问题说清楚的

LION_ARTHAS

对不起，我对搂主的分析不敢苟同。您的分析应属于转子动力学，横向振动的不平衡响应，但概念不对，请看帮助里转子动力学的部分，相关标准请看API -684
行空 发表于 2011-5-10 21:45

惊现高手，而且这么多高手在这里讨论，受教了

ligangbeijing

学习！谢谢楼主！

timotheos

这个问题属于转子动力学问题，考虑陀螺效应

拉布索思

18# timotheos

我看了一下转子动力学的内容，实在不懂什么陀螺效应，什么情况下陀螺效应才起作用。
虽然说这个问题属于转子动力学，但我确实不知道我这样分析错在哪。
希望不吝赐教，感谢！

utuu

这个例子很不错啊！
谢谢分享