楊法立+廖明夫+王四季+蔣云帆

摘 要： 某型航空發(fā)動機(jī)軸承試驗器采用雙“L”形安裝邊支承結(jié)構(gòu)，采用ANSYS中solid45，solid95及solid187結(jié)構(gòu)單元來計算其支承剛度，并通過傳遞矩陣法分別計算軸承試驗器的臨界轉(zhuǎn)速。通過與軸承試驗器的實際臨界轉(zhuǎn)速對比，分析三種單元結(jié)構(gòu)對于該支承結(jié)構(gòu)剛度的計算準(zhǔn)確性，結(jié)果表明采用solid187結(jié)構(gòu)單元計算的臨界轉(zhuǎn)速誤差最小，可用于此種支承結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度仿真計算。

關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)單元； 支承剛度； 臨界轉(zhuǎn)速； 航空發(fā)動機(jī)

中圖分類號： TN710?34；V231.96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0116?03

Research on supporting stiffness of an aero?engine bearing tester based on ANSYS

YANG Fa?li， LIAO Ming?fu， WANG Si?ji， JIANG Yun?fan

（School of Power and Energy， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： The supporting structure with the double ‘L shape assembling sides is adopted for an aero?engine bearing tester. The solid45， solid95 and solid187 structural units in ANSYS are used to calculate the supporting stiffness of the tester. The critical rotation speed of the bearing tester is calculated with the transfer matrix method. The calculation accuracy of three unit structures is analyzed for stiffness of the supporting structure by comparing it with the real critical rotation speed. The results show that the critical rotation speed got by solid187 has the smallest computation error， so the element type of solid187 can be applied to the simulation calculation of static stiffness of the supporting structure.

Keywords： structural unit； supporting stiffness； critical rotation speed； aero?engine

0 引 言

在工程實踐中對于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算，已經(jīng)擁有了很多種計算方法?？偨Y(jié)起來，幾乎所有的計算方法都要考慮到轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、阻尼和剛度因素對臨界轉(zhuǎn)速的影響[1]。轉(zhuǎn)子支承剛度是影響轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的重要因素之一[2?4]，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)子設(shè)計時，首先需要確定轉(zhuǎn)子的支承剛度，然后預(yù)估轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，保證設(shè)計轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性滿足設(shè)計要求。

本文研究的為某型航空發(fā)動機(jī)軸承試驗器，其軸承座結(jié)構(gòu)與真實發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相似，采用雙“L”形安裝邊與支承底座相連。為預(yù)估本轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，必須預(yù)估其支承結(jié)構(gòu)的支承剛度。本文研究了ANSYS軟件中solid45、solid95及solid187這三種結(jié)構(gòu)單元用于計算此類支承結(jié)構(gòu)的支承剛度的適用性，并通過與實驗結(jié)果對比，分析了這三種結(jié)構(gòu)單元用于計算支承剛度的準(zhǔn)確性。

1 支承剛度仿真計算

軸承試驗器采用的是雙支承單盤單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的兩個支承分別為：試驗軸承端，用于研究高轉(zhuǎn)速下軸承的動力學(xué)特性；陪試軸承端，為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供合理的支點位置和支承剛度。圖1所示為軸承試驗器三維圖，圖中標(biāo)明了“L”形安裝邊的結(jié)構(gòu)位置。

圖1 轉(zhuǎn)子試驗器三維圖

對與該轉(zhuǎn)子試驗器需要計算其臨界轉(zhuǎn)速，以便在其動力學(xué)特性滿足試驗要求。為了得到可靠合理的計算結(jié)果，必須對軸承試驗器兩端的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為準(zhǔn)確剛度預(yù)估。

1.1 支承結(jié)構(gòu)單元

根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，有學(xué)者針對solid45單元類型[5]，用該單元對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)的建模分析，該單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著[xyz]方向平移的自由度；有的學(xué)者針對solid95單元模型[6]，該單元是solid45的更高階單元，為三維20節(jié)點四面體，在保證精度的同時，允許使用不規(guī)則的形狀，適用于模擬曲線的邊界，該單元具有空間的任意方向，同時該單元還具有可塑性，蠕動，應(yīng)力鋼化，大變形和大應(yīng)變能力。用該單元進(jìn)行軸承座結(jié)構(gòu)的分析；最新版本的ANSYS軟件，綜合原來實體模型新增了一種高階單元solid187，該單元是帶中間節(jié)點的四面體，具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則模型，理論上可以得到更高的計算精度。

本文將三種結(jié)構(gòu)單元對兩端支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜剛度仿真分析，首先在UG中對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，然后將三維模型轉(zhuǎn)為PARASOLID格式導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行靜態(tài)受力分析，采用智能網(wǎng)格劃分方法，選取網(wǎng)格精度等級1。

由于各結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)基本一致，因此采用同一材料參數(shù)，材料參數(shù)為：泊松比[μ=0.3；]彈性模量[E=][2.08×1011] Pa。

1.2 試驗軸承端剛度仿真計算

試驗軸承端用于研究軸承的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對軸承支承動力學(xué)特性的影響，其支承結(jié)構(gòu)形式與發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子前支承一致，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、安裝環(huán)、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

圖2 試驗軸承端網(wǎng)格劃分

考慮到支承底座通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此在進(jìn)行計算時，將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=0，][UY=0，][Z=0]的約束。分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下1 500 N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖3為sloid95結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表1。

1.3 陪試軸承端剛度仿真計算

陪試軸承端的作用主要為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供合理的支點位置和支承剛度，為了保證試驗端試驗數(shù)據(jù)的可分析性，要求陪試軸承端的結(jié)構(gòu)簡單，以減少對試驗結(jié)果的影響，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖4所示。

圖3 試驗軸承端仿真結(jié)果圖

圖4 陪試軸承端網(wǎng)格劃分

由于支承底座同樣通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此也將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=]0，[UY=0，][Z=0]的約束，分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下[1 500]N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖5為sloid187結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表2。

圖5 陪試軸承端仿真結(jié)果圖

2 動力學(xué)特性預(yù)估

根據(jù)前面預(yù)估的軸承支承剛度值，采用傳遞矩陣法對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)估，傳遞矩陣法的基本原理是，取不同的轉(zhuǎn)速值，循環(huán)進(jìn)行各軸段截面狀態(tài)參數(shù)的逐段推算，直至滿足轉(zhuǎn)軸另一端的邊界條件[7?8]。本文根據(jù)轉(zhuǎn)軸不同的截面直徑、支承位置及轉(zhuǎn)盤位置，將轉(zhuǎn)軸離散為14個軸段、2個彈性支承站和1個盤站，圖6所示為軸承試驗器的計算模型。

圖6 轉(zhuǎn)子計算模型

將各個單元所計算剛度的平均值分別代入到計算模型中的彈性支承站，編程計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果見表3。

3 試驗與仿真結(jié)果對比分析

圖7所示為軸承試驗器實物圖，軸承座上安裝速度傳感器測量軸承振動，盤上安裝位移傳感器測量轉(zhuǎn)子振動，通過測量各個通道的振動幅值來確定轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速。

圖8所示為軸承試驗器增速過程，圖中顯示的為盤上的振動數(shù)據(jù)，實驗測得轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為5 222 r/min。

圖7 軸承試驗器實物圖

將計算結(jié)果與實驗測得的臨界轉(zhuǎn)速對比可知：采用solid45單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高398 r/min，誤差為7.6%；采用solid95結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高311，誤差為5.9%；采用solid187結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高168 r/min，誤差為3.2%。

圖8 試驗器增速Bode圖

4 結(jié) 語

通過仿真計算與實驗對比分析可知，對于采用雙“L”安裝邊支承結(jié)構(gòu)，利用solid87單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度預(yù)估，能夠得到較為準(zhǔn)確的臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，因此在今后的設(shè)計工作中可以采用solid187結(jié)構(gòu)單元對相似的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算。同時注意到采用這三種結(jié)構(gòu)單元計算出的臨界轉(zhuǎn)速全部偏大，若采用此種方法計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，需要在軸承試驗器增速過程，注意臨界轉(zhuǎn)速的提前來到。

參考文獻(xiàn)

[1] 白中祥，吳偉亮.轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的剛度對其臨界轉(zhuǎn)速的影響[J].機(jī)電設(shè)備，2012（5）：46?49.

[2] 洪杰，王華，肖大為，等.轉(zhuǎn)子支承動剛度對轉(zhuǎn)子動力特性的影響分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2008，34（1）：23?27.

[3] 程小勇，陳果，李成剛，等.航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模擬支承設(shè)計與剛度計算[J].航空計算技術(shù)，2012，42（6）：9?12.

[4] 盛步云，張濤，丁毓峰，等.支承剛度對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響分析[J].機(jī)械設(shè)計，2008，25（12）：38?40.

[5] 趙文濤，陳果，李瓊，等.航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣支承動剛度有限元計算及驗證[J].航空計算技術(shù)，2011，41（5）：34?38.

[6] 何新榮，傅行軍.基于ANSYS的軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（6）：39?41.

[7] 呂文林.航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[8] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動力學(xué)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[9] 馬輝，惠紅杰，唐玉生，等.不同單元計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的對比分析[J].振動與沖擊，2012，31（z1）：40?43.

[10] 陳忠.滾動軸承及其支承的剛度計算[J].煤礦機(jī)械，2006，27（3）：387?388.

[11] 鐘芳明，龔建政，賀星.燃?xì)廨啓C(jī)支承剛度計算研究[J].船海工程，2012，41（1）：41?44.

[12] 王毅，吳立言，寒冰.ANSYS的兩種有限單元應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（6）：955?958.

1.2 試驗軸承端剛度仿真計算

試驗軸承端用于研究軸承的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對軸承支承動力學(xué)特性的影響，其支承結(jié)構(gòu)形式與發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子前支承一致，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、安裝環(huán)、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

圖2 試驗軸承端網(wǎng)格劃分

考慮到支承底座通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此在進(jìn)行計算時，將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=0，][UY=0，][Z=0]的約束。分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下1 500 N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖3為sloid95結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表1。

1.3 陪試軸承端剛度仿真計算

陪試軸承端的作用主要為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供合理的支點位置和支承剛度，為了保證試驗端試驗數(shù)據(jù)的可分析性，要求陪試軸承端的結(jié)構(gòu)簡單，以減少對試驗結(jié)果的影響，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖4所示。

圖3 試驗軸承端仿真結(jié)果圖

圖4 陪試軸承端網(wǎng)格劃分

由于支承底座同樣通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此也將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=]0，[UY=0，][Z=0]的約束，分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下[1 500]N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖5為sloid187結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表2。

圖5 陪試軸承端仿真結(jié)果圖

2 動力學(xué)特性預(yù)估

根據(jù)前面預(yù)估的軸承支承剛度值，采用傳遞矩陣法對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)估，傳遞矩陣法的基本原理是，取不同的轉(zhuǎn)速值，循環(huán)進(jìn)行各軸段截面狀態(tài)參數(shù)的逐段推算，直至滿足轉(zhuǎn)軸另一端的邊界條件[7?8]。本文根據(jù)轉(zhuǎn)軸不同的截面直徑、支承位置及轉(zhuǎn)盤位置，將轉(zhuǎn)軸離散為14個軸段、2個彈性支承站和1個盤站，圖6所示為軸承試驗器的計算模型。

圖6 轉(zhuǎn)子計算模型

將各個單元所計算剛度的平均值分別代入到計算模型中的彈性支承站，編程計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果見表3。

3 試驗與仿真結(jié)果對比分析

圖7所示為軸承試驗器實物圖，軸承座上安裝速度傳感器測量軸承振動，盤上安裝位移傳感器測量轉(zhuǎn)子振動，通過測量各個通道的振動幅值來確定轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速。

圖8所示為軸承試驗器增速過程，圖中顯示的為盤上的振動數(shù)據(jù)，實驗測得轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為5 222 r/min。

圖7 軸承試驗器實物圖

將計算結(jié)果與實驗測得的臨界轉(zhuǎn)速對比可知：采用solid45單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高398 r/min，誤差為7.6%；采用solid95結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高311，誤差為5.9%；采用solid187結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高168 r/min，誤差為3.2%。

圖8 試驗器增速Bode圖

4 結(jié) 語

通過仿真計算與實驗對比分析可知，對于采用雙“L”安裝邊支承結(jié)構(gòu)，利用solid87單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度預(yù)估，能夠得到較為準(zhǔn)確的臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，因此在今后的設(shè)計工作中可以采用solid187結(jié)構(gòu)單元對相似的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算。同時注意到采用這三種結(jié)構(gòu)單元計算出的臨界轉(zhuǎn)速全部偏大，若采用此種方法計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，需要在軸承試驗器增速過程，注意臨界轉(zhuǎn)速的提前來到。

參考文獻(xiàn)

[1] 白中祥，吳偉亮.轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的剛度對其臨界轉(zhuǎn)速的影響[J].機(jī)電設(shè)備，2012（5）：46?49.

[2] 洪杰，王華，肖大為，等.轉(zhuǎn)子支承動剛度對轉(zhuǎn)子動力特性的影響分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2008，34（1）：23?27.

[3] 程小勇，陳果，李成剛，等.航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模擬支承設(shè)計與剛度計算[J].航空計算技術(shù)，2012，42（6）：9?12.

[4] 盛步云，張濤，丁毓峰，等.支承剛度對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響分析[J].機(jī)械設(shè)計，2008，25（12）：38?40.

[5] 趙文濤，陳果，李瓊，等.航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣支承動剛度有限元計算及驗證[J].航空計算技術(shù)，2011，41（5）：34?38.

[6] 何新榮，傅行軍.基于ANSYS的軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（6）：39?41.

[7] 呂文林.航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[8] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動力學(xué)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[9] 馬輝，惠紅杰，唐玉生，等.不同單元計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的對比分析[J].振動與沖擊，2012，31（z1）：40?43.

[10] 陳忠.滾動軸承及其支承的剛度計算[J].煤礦機(jī)械，2006，27（3）：387?388.

[11] 鐘芳明，龔建政，賀星.燃?xì)廨啓C(jī)支承剛度計算研究[J].船海工程，2012，41（1）：41?44.

[12] 王毅，吳立言，寒冰.ANSYS的兩種有限單元應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（6）：955?958.

1.2 試驗軸承端剛度仿真計算

試驗軸承端用于研究軸承的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對軸承支承動力學(xué)特性的影響，其支承結(jié)構(gòu)形式與發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子前支承一致，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、安裝環(huán)、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

圖2 試驗軸承端網(wǎng)格劃分

考慮到支承底座通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此在進(jìn)行計算時，將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=0，][UY=0，][Z=0]的約束。分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下1 500 N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖3為sloid95結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表1。

1.3 陪試軸承端剛度仿真計算

陪試軸承端的作用主要為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供合理的支點位置和支承剛度，為了保證試驗端試驗數(shù)據(jù)的可分析性，要求陪試軸承端的結(jié)構(gòu)簡單，以減少對試驗結(jié)果的影響，主要結(jié)構(gòu)有軸承座、“L”形安裝邊、支承底座。對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分后如圖4所示。

圖3 試驗軸承端仿真結(jié)果圖

圖4 陪試軸承端網(wǎng)格劃分

由于支承底座同樣通過四個地腳螺栓與試驗臺固定，因此也將支承底座與試驗臺之間的配合面施加[UX=]0，[UY=0，][Z=0]的約束，分別在軸承配合面上施加豎直向上和豎直向下[1 500]N的載荷，通過變形量來計算支承結(jié)構(gòu)的剛度。

圖5為sloid187結(jié)構(gòu)單元施加載荷后的變形圖，另外兩個結(jié)構(gòu)單元仿真結(jié)果圖與其相似，僅具體的變形量不同，三種結(jié)構(gòu)單元的仿真計算結(jié)果見表2。

圖5 陪試軸承端仿真結(jié)果圖

2 動力學(xué)特性預(yù)估

根據(jù)前面預(yù)估的軸承支承剛度值，采用傳遞矩陣法對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)估，傳遞矩陣法的基本原理是，取不同的轉(zhuǎn)速值，循環(huán)進(jìn)行各軸段截面狀態(tài)參數(shù)的逐段推算，直至滿足轉(zhuǎn)軸另一端的邊界條件[7?8]。本文根據(jù)轉(zhuǎn)軸不同的截面直徑、支承位置及轉(zhuǎn)盤位置，將轉(zhuǎn)軸離散為14個軸段、2個彈性支承站和1個盤站，圖6所示為軸承試驗器的計算模型。

圖6 轉(zhuǎn)子計算模型

將各個單元所計算剛度的平均值分別代入到計算模型中的彈性支承站，編程計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果見表3。

3 試驗與仿真結(jié)果對比分析

圖7所示為軸承試驗器實物圖，軸承座上安裝速度傳感器測量軸承振動，盤上安裝位移傳感器測量轉(zhuǎn)子振動，通過測量各個通道的振動幅值來確定轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速。

圖8所示為軸承試驗器增速過程，圖中顯示的為盤上的振動數(shù)據(jù)，實驗測得轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為5 222 r/min。

圖7 軸承試驗器實物圖

將計算結(jié)果與實驗測得的臨界轉(zhuǎn)速對比可知：采用solid45單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高398 r/min，誤差為7.6%；采用solid95結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高311，誤差為5.9%；采用solid187結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行剛度仿真計算，得到的臨界轉(zhuǎn)速比實測值高168 r/min，誤差為3.2%。

圖8 試驗器增速Bode圖

4 結(jié) 語

通過仿真計算與實驗對比分析可知，對于采用雙“L”安裝邊支承結(jié)構(gòu)，利用solid87單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度預(yù)估，能夠得到較為準(zhǔn)確的臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，因此在今后的設(shè)計工作中可以采用solid187結(jié)構(gòu)單元對相似的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度仿真計算。同時注意到采用這三種結(jié)構(gòu)單元計算出的臨界轉(zhuǎn)速全部偏大，若采用此種方法計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，需要在軸承試驗器增速過程，注意臨界轉(zhuǎn)速的提前來到。

參考文獻(xiàn)

[1] 白中祥，吳偉亮.轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的剛度對其臨界轉(zhuǎn)速的影響[J].機(jī)電設(shè)備，2012（5）：46?49.

[2] 洪杰，王華，肖大為，等.轉(zhuǎn)子支承動剛度對轉(zhuǎn)子動力特性的影響分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2008，34（1）：23?27.

[3] 程小勇，陳果，李成剛，等.航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模擬支承設(shè)計與剛度計算[J].航空計算技術(shù)，2012，42（6）：9?12.

[4] 盛步云，張濤，丁毓峰，等.支承剛度對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響分析[J].機(jī)械設(shè)計，2008，25（12）：38?40.

[5] 趙文濤，陳果，李瓊，等.航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣支承動剛度有限元計算及驗證[J].航空計算技術(shù)，2011，41（5）：34?38.

[6] 何新榮，傅行軍.基于ANSYS的軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（6）：39?41.

[7] 呂文林.航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[8] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動力學(xué)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[9] 馬輝，惠紅杰，唐玉生，等.不同單元計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的對比分析[J].振動與沖擊，2012，31（z1）：40?43.

[10] 陳忠.滾動軸承及其支承的剛度計算[J].煤礦機(jī)械，2006，27（3）：387?388.

[11] 鐘芳明，龔建政，賀星.燃?xì)廨啓C(jī)支承剛度計算研究[J].船海工程，2012，41（1）：41?44.

[12] 王毅，吳立言，寒冰.ANSYS的兩種有限單元應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（6）：955?958.