02---Samcef Rotor在发动机转子动力特性分析中的应用---周传月

Samcef Rotor在发动机转子动力特性分析中的应用

周月1 ，宗克勤2

传

（1.北京东方极峰科技有限公司，北京100081 ；2.哈尔滨第703研究所，哈尔滨100036）

摘 要：本文首先介绍了依托Samcef Field和Samcef Rotor软件搭建的发动机转子动力特性集成仿真分析系统。其次介绍了转子动力特性分析软件Samcef Rotor的特点、模型及分析功能。最后以四个工程应用实例，着重介绍了Samcef Rotor软件在发动机转子动力特性分析中的应用。

关键词：Samcef Rotor，转子，动力特性，有限元分析

1 引言

随着工业的高速发展，旋转机械转速不断增加，性能不断提高。特别是航空燃气涡轮发动机和舰船用燃气轮机，由于其转速加大，推重比不断提高，因而带来了转子部件的负荷的增加。旋转机械的动力学问题历来就是发动机设计和研究人员关注的问题。发动机是高技术和高可靠性的复杂产品，尤其是高速旋转的转子系统，在其产品开发中有着极其复杂和严格的要求。发动机转子动力学问题是发动机研制和开发的一个重要问题。在转子动力学研究中，计算仿真分析（CAE）具有很重要的地位。无论是讨论转子的动力学特性，分析转子的各种动力学现象，还是进行转子系统的设计，解决旋转机械的有关工程问题等，都离不开计算分析工作。在转子动力学的发展历史中，计算方法与理论研究和工程应用是同步发展的。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，计算仿真分析的重要性更为突出。甚至一些无法用理论分析方法解决的复杂问题，也可以使用数值计算的方法得到结果，或通过计算机仿真，揭示某些难以用理论分析方法或实验观察获得的新现象。

在传统的转子动力学分析中，计算分析的主要内容是关于转子弯曲振动的临界转速、不平衡响应和稳定性。有时，还有各种激励下的谐波响应和瞬态响应计算。有些转子系统还需要计算扭转振动的固有频率和响应。随着转子动力学研究工作的深入发展，人们发现轴承、轴承座、支承基础，以及其它有关结构对转子的动力学特性有很大的影响，因而有必要把轴承、轴承座、密封，甚至设备的基础也纳入到转子系统中。SAMTECH公司一直致力于转子动力学数值计算方法的研究，在著名的发动机公司的支持下，开发了大型商业化转子动力学分析软件Samcef Rotor。

SAMTECH公司（）是欧洲最大的CAE软件公司之一，是著名的有限元分析软件Samcef的开发商。SAMTECH公司的前身是比利时列日大学（University of Liege）的宇航实验室，该实验室自从1965年就从事开发商业化的有限元分析软件Samcef的开发。Samcef软件的开发者于1986年脱离列日大学而创建了SAMTECH公司。SAMTECH与航空和航天工业（SNECMA, EADS, AIRBUS, …），以及防卫、汽车、能源、造船和机床等工业有密切的合作。

Samcef系列软件是世界上广泛应用的有限元分析软件。Samcef包括通用有限元分析软件，如前后处理软件Samcef Field、线性分析软件Samcef Linear和非线性分析软件Samcef Mecano等，以及很多特定的专业软件，如转子动力分析软件Samcef Rotor，高压电缆静动力学分析软件Samcef HVS等。其中转子动力分析模块Samcef Rotor是目前世界上唯一的单轴或多轴转子动力学特性大型有限元分析软件。图1是依托Samcef Rotor软件和Samcef Field软件搭建的发动机的转子动力特性集成仿真分析系统。此系统是一完整的转子建模和仿真分析环境，包含发动机转子动力特性分析的各个方面。

图1 转子动力特性集成仿真分析系统

2 Samcef Rotor软件简介

2.1 Samcef Rotor主要特点

Samcef Rotor可以进行完整转子系统的建模，包括转子部件、静止部件和连接部件。能考虑发动机转子与静子间的耦合，模拟发动机各种支撑方式和连接关系，如滚动轴承、滑动油膜轴承、挤压油膜阻尼器、齿轮、密封和电磁轴承等。Samcef Rotor还可以考虑转子基础等静止部件。计算分析类型包括：阻尼与无阻尼转子临界转速、转子稳定性、不平衡响应分析及瞬态响应分析、弯扭耦合分析等。Samcef Rotor软件的主要特点体现在如下几个方面：

Samcef Rotor基于三维图形界面Samcef Field，与大型CAD系统有接口，可以直接读取其它CAD系统的几何模型。Samcef Rotor是基于有限元方法的软件系统，是目前世界上唯一的大型商业化软件。涡轮机行业的所有大公司都在使用Samcef Rotor软件，例如法国的SNECMA公司，英国的ROLLS-ROYCE公司，法国的ALSTOM公司，德国MTU公司和瑞典的ABB公司等著名发动机公司。

Samcef Rotor可以使用梁单元（beam）、壳单元（shell）、二维轴对称谐波单元（2D-multi-harmonic axisymmetrical）三维实体单元（volume）和特殊的连接单元对转子系统、静子系统和连接部件进行建模。Samcef Rotor可以模拟复杂的双转子系统和多转子系统，以及套轴转子系统，这些转子可具有不同的转动方向、转速。Samcef Rotor具有弯曲和扭转耦合振动分析功能，系统中包含的齿轮单元可以直接模拟齿轮转子系统的弯扭耦合振动。Samcef Rotor与Samcef其它软件包配合，可以采用同一个模型进行其它计算分析，例如传热分析和热应力分析。Samcef Rotor提供的滑动轴承单元和挤压油膜阻尼单元，可以直接模拟圆柱滑动轴承、多油叶滑动轴承和可倾瓦滑动轴承和挤压油膜阻尼器。Samcef Rotor除了计算线性谐波响应，还可以计算考虑摩擦和间隙等非线性因素的非线性谐波响应和瞬态响应。Samcef Rotor采用传递函数模拟电磁轴承或控制系统。

2.2 Samcef Rotor模型

Samcef Rotor建模包括三个方面：转子系统模型、静止部件模型和连接部件模型。

I. 转子系统模型

Samcef Rotor可以建立一个或几个具有不同的旋转速度和自由的空间定位的柔性转子模型。转子模型有类型，即梁单元-刚性盘模型、轴对称（傅立叶级数）和3-D 模型

转子梁单元模型每个节点六个自由度，考虑弯曲-拉压-扭转，适用任意空间位置的各向同性梁，同时