Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS87_t25_z1_4_PDF_artykuly\01mts87_t25_zeszyt1_2.pdf
M ECH AN IKA
TEORETYCZNA
I STOSOWANA
1/ 2, 15, 1987
M ETOD A N U M ERYC Z N EJ AN ALIZY D YN AMIKI N IESTACJON ARN IE OBCIĄ Ż ON EGO
WIRN IKA N A AN IZ OTROP OWYC H P OD P ORACH
JERZY MANEROWSKI
Instytut T echnicmy W ojsk L otniczych, W arszawa
1. Wstę p
Szereg prac poś wię conych jest numerycznym m etodom badan ia wł aś ciwoś ci dynamicz-
nych wirników. Badanie tych wł aś ciwoś ci, oparte na metodzie elementów skoń czonych,
sprowadzone został o gł ównie d o wyznaczania gię tnych drgań wł asnych i krytycznych
prę dkoś ci obrotowych ([l]- ^- [3]) oraz ustalonych drgań wymuszonych ([2], [3]).
W niniejszej pracy przedstawion o m etodę numerycznego badan ia przemieszczeń, sil
wewnę trznych, obcią ż eń p o d p ó r ł oż yskowych niejednorodnych wirników, obracają cych
się ze zmiennymi prę dkoś ciami ką towymi oraz obcią ż onych zewnę trznymi zmiennymi
w czasie skupionymi sił ami i m om en tam i sił (momenty gną ce i skrę cają ce).
R ówn an ia ruchu wirnika wyprowadzono z gł ównymi zał oż eniami przyję tymi w ww.
pracach. D odatkowo uwzglę dniono przypadek zamocowania wirnika n a anizotropowych
podporach. U wzglę dniono również bezwł adnoś ciowe sprzę ż enie zginania obracają cego
się wirnika ze skrę caniem.
Wyznaczone równ an ie ruch u wirnika, które jest nieliniowym równaniem róż niczko-
wym zwyczajnym drugiego rzę du, rozwią zano metodą numerycznego cał kowania Wil-
sona — N ewm arka.
N iektóre przykł adowe wyniki obliczeń zamieszczono w pracy.
2. Sformuł owanie problemu
Rozpatrzymy obracają cy się ze zmienną prę dkoś cią ką tową Q — Q(t) niejednorodny
wirnik (rys. 1). Przyjmiemy, że zm ian a prę dkoś ci ką towej wirnika realizowana jest zgodnie
z okreś lonym program em . N a wale wirnika zam ocowane są nieodkształ calne tarcze.
Przyjmiemy, że wirnik uł oż yskowany jest n a anizotropowych sprę ż ysto- tł umią cych pod-
porach. Wał wirnika wykonany jest w postaci smukł ej belki o przekroju koł owym z wy-
drą ż onym otworem. M ateriał wał u speł nia zał oż enia modelu Kelvina- Voigta.
D o wyznaczenia równ ań dynamicznej równowagi wirnika wykorzystamy metodę
elementów skoń czonych w wersji przemieszczeniowej. Ruch wirnika okreś limy w nieru-
chomym ukł adzie współ rzę dnych 0XYZ. Wprowadzimy również lokalny ukł ad współ -
rzę dnych Q
l
X
i
Y
i
Z
i
. U kł ad ten zwią zany jest z i- tym elementem skoń czonym (rys. 1).
158 J . MANEROWSK£
Rys. I
Przyjmiemy, że w wyniku dział ają cych obcią ż eń, oś wirnika przemieszcza się w kierunku
osi X o wielkość u(Z, t) oraz w kierunku osi Y o wielkość v (Z, t) (rys. 2). Wał ulega
również skrę ceniu o kąt ip (Z, t). Z akł adamy przy tym , że ww. przemieszczenia są wiel-
koś ciami mał ymi.
Okreś limy naprę ż enia oraz odkształ cenia wał u wirnika. W wyniku wyż ej podanych
przemieszczeń, punkty przekroju poprzecznego wał u ulegają przemieszczeniu w kierunku
osi Z o wielkość w (rys. 2). N a podstawie zależ noś ci geometrycznych (rys. 2) oraz przy
zał oż eniu, że przekroje te po odkształ ceniu pozostają pł askie i prostopadł e do jego osi,
przemieszczenie w punkcie A wirnika zapiszemy w postaci
, r,
du(Z, t) , ... dv(Z, t)
ó/ C oZi
(2.1)
gdzie:
), Vo = fl, (2.7)
gdzie: / , , I
o
— masowe m om en ty bezwł adnoś ci n a jedn ostkę dł ugoś ci wzglę dem ś rednicy
(1) i osi wirowania (0),
u' = - r=r u, v' = —— v — ką ty obrotu przekrojów.
SZ dZ
Eys. 3
160 J. M AN E R O WSJG
P o wykonaniu obliczeń, zgodnie z wyż ej podan ym sposobem, momenty sit bezwł ad-
noś ci zapiszemy w postaci
M
bX
=> Mł
x
+M$x oraz analogicznie M
bY
, M
hZ
, (2.8)
gdzie:
Mi
x
= h'v'- I
0
(Qu+ihS), AT& = - I
0
{ipu+ipu'),
= I
0
(y>v'+y>v'), (2.9)
M omenty te rozdzielono, z uwagi n a zastosowany w par. 4 sposób rozwią zania równań
równowagi wirnika, n a czę ść liniową L (zależ ną od jednej z wielkoś ci v', u', tp oraz ich
pochodnych wzglę dem czasu) oraz nieliniową N (zależ ną od dwóch z ww. wielkoś ci).
M omenty sił bezwł adnoś ci powodują sprzę ż enie zginania wał u ze skrę caniem.
Jak już wcześ niej zaznaczono, zakł adamy że rozpatrywany wirnik zamocowany jest
na anizotropowych sprę ż ysto- tł umią cych podporach (rys. 1). Jest t o przypadek, w którym
przykł adowo sztywność podpory uzależ niona jest od kierun ku przemieszczenia. Rozwa-
ż ania ograniczymy do przypadku, w którym sztywność poprzeczna podpory x w pł asz-
czyź nie 0XY okreś lona jest wzorem
x = «(J7, V) = |/ x?ci + « R ,
V
2
d = U/ U, j , = V/ U, U =
gdzie: «x — sztywność podpory w kierunku osi X gdy V = 0,
x
2
- *• sztywność podpory w kierunku osi Y gdy U — 0,
U,V— przemieszczenia osi wirnika w miejscu jego podparcia w kierun ku osi Yi X.
Współ czynnik tł umienia poprzecznego podpory?;, analogicznie ja k sztywność poprzecz-
n a, zakł adamy w postaci:
fi, V) = /
c
2
- U/ U, s
2
= V\ U, U = Vi/ 2 + V2 ,
gdzie: T \
X
—współ czyn n ik tł umienia podpory w kierunku osi X gdy V — 0,
i]i — współ czynnik tł umienia podpory w kierun ku osi Y gdy U = 0.
Przyjmujemy, że podpory wał u nie mają swobody obrotu wzglę dem osi X i Y (sztyw-
ność «* i tł umienie rj
k
). Z akł adamy przy tym analogiczne ja k wyż ej zależ noś ci na x
k
i ??t.
Zależ noś ci te otrzymamy po podstawieniu w miejsce x
i
i x
2
wielkoś ci x^ i x\ a oraz w miejsce
r\
y
i T }
2
wielkoś ci rj
kl
i r\
kl
. Z kolei w miejsce przemieszczeń i prę dkoś ci przemieszczeń
podstawić należy ką ty obrotu przekrojów U' i V i prę dkoś ci ką towe &, V'. Zakł adamy
również, że m om ent skrę cają cy M
a
przekazywany jest n a wał poprzez sprzę gło o liniowej
charakterystyce. Przyjmiemy przy tym, że jego sztywność n a skrę canie jest równa x„
a współ czynnik tł umienia wynosi rj,.
i 3. Równania równowagi
Celem wyznaczenia równań dynamicznej równowagi wirnika (rys. 1) wykorzystamy
m etodę elementów skoń czonych w wersji przemieszczeniowej ([3], [6]) oraz zasadę prac
wirtualnych
AN AL I Z A D YN AM IKI WI R N I KA 161
E 2 J (3.1)
1
gdzie: ^ W „i— praca sprę ż ystych sił / - tego elementu,
6W
mi
, dW
mt
j — praca sił i momentów sił masowych / - tego elementu orazy- tej tarczy,
ÓW iri — praca sił tł umienia materiał owego elementu,
d W
xi
— praca sił i momentów sił zewnę trznych elementu na odpowied-
nich przemieszczeniach wirtualnych.
D o wyznaczania równ ań równowagi wirnika,przyjmujemy nastę pują ce funkcje prze-
mieszczenia dla / - tego skoń czonego elementu o dł ugoś ci l
t
:
rtZ.O- **!, u(Z,t) = p
t
U
Xl
, v{Z,ty- hUr
u
(3.2)
gdzie: dr> dz ( 3- 5)I S
0 r„ 0
P o podstawieniu do (3.5) zależ noś ci (2.1)- r (2.4) i (3.2)+ (3.4)
ÓW
3t
m $U?U
U
(3- 6)
gdzie: Ki — macierz sztywnoś ci elementu,
U
t
— wektor przemieszczeń krawę dzi elementu,
U
t
= [W ,.Ui.U.VuVi, W
2
,U
2
,m,V
2
, V
2
\ . (3.7)
M acierz sztywnoś ci elementu wał u jest taka sam a ja k dla zginanego i skrę canego prę ta
[81.
Pracę sił tł um ienia wewnę trznego na przemieszczeniach wirtualnych okreś limy zwią z-
kiem
6W ,
rl
= J f j [óe, dy) M rdę drdZ. < 3 - 8 )
O r w O L
T < * J
U M ech. Tcoret. i Stos. 1—2/87
162 J . M AN E R O WSK I
P o podstawieniu (2.1)- h(2.3), (2.5), (3.2)- = - (3.4) oraz wykorzystaniu (3.7) pracę (3.8)
przedstawimy w formie zależ noś ci
dW
m
~5VJiC
h
V
l
- QC
il
U
t
)
i
• (3.9)
gdzie: d — macierz tł umienia,
C 2 — antysymetryczna macierz zależ na od prę dkoś ci wirowania.
M acierz C 2 uwzglę dnia wpł yw zginania na tł umienie ruchu obracają cego się wirnika.
P racę sił masowych (2.6) i momentów sił bezwł adnoś ci (2.9) okreś limy ze zwią zku
W»i = H [ety, &/,&»]
0
[Ó
V
, du',6v']
M
M
bZ
bY
\ dZ. (3.10)
Z kolei pracę dW
mJ
/ - tej tarczy (t), zamocowanej przykł adowo n a prawej krawę dzi
ż - tego elementu, wyznaczymy ze wzoru
\ M
btz
u', Sv']
u=0
M
bt
y
| z=o
(3.11)
| z=o
Sił y P
m
t i M
bt
okreś lone są wzorami (2.6) i (2.9) z podstawieniem w miejsce m, I
x
, I
o
wielkoś ci: m
t
— masa tarczy oraz I
1(
,Ioi — masowe momenty bezwł adnoś ci tarczy. Po
wykonaniu obliczeń, pracę sił masowych i momentów sił bezwł adnoś ci elementu z zamo-
cowaną na jego krawę dzi tarczą przedstawimy w formie zależ noś ci:
(3.12)
gdzie: Mt
f
j — macierz mas, I ; j —m a c ier z m om entów bezwł adnoś ci, Gij —a n -
tysymetryczna macierz giroskopowa, F 1 ( ) —we kt o r zależ ny od
przyś pieszenia ką towego ii = W
Q
,
F
2llJ
— wektor sił cię ż koś ci,
Fuj(Ut > Ui) &i) — wektor nieliniowych czł onów zależ noś ci (2.9).
Okreś limy pracę sił zewnę trznych elementu 6W
zi
. Z akł adam y, ż e(obcią ż enie zewnę trzne
wirnika stanowią skupione n a krawę dziach elementu zmienne w czasie sił y i momenty sił .
Przy zał oż eniu, że prawa krawę dź elementu obcią ż ona jest sił ami i m om en tam i sił M
s
=
— M
z
, M
Y
i .Mx (dodatnie zwroty momentów sił ja k na rys. 3) pracę sił zewnę trznych
przedstawimy w postaci
5W
zt
= SUjF
Zt
,
F
z
, = [M
s
, F
x
, My, P
Y
, M
x
, 0, 0, 0, 0, 0] T .
Celem peł nego sformuł owania problem u rozpatrzymy warun ki brzegowe omawianego
wirnika' (rys. 1). Warunki te okreś limy w postaci sił i m om entów sił wynikają cych z prze-
mieszczeń oraz prę dkoś ci przemieszczeń podpór i sprzę gł a, które om ówion o w par. 2.
D la ich wyznaczenia, w pierwszej kolejnoś ci okreś limy energię potencjalną sprę ż ystego
odkształ cenia podpory i sprzę gła V* oraz w przypadku tł um ienia podpory funkcję dysy-
pacji D*. Przy zał oż eniu, że podpora i sprzę gło znajduje się n a prawej krawę dzi / - tego
elementu (rys. 1) Vf i Df przedstawimy w postaci (por. (2.10) i (2.11))
(3.13)
AN AL I Z A D YN AM IKI WI R N I KA 163
y [«sS
/ ? + «(Ł/ 1)
2 + «*(t/ i)2],
1 • (3- 14)
V? = y
Warunki brzegowe w postaci sił uogólnionych odpowiadają cych współ rzę dnym iP',,
/ , , U[, V
t
i V'i wyznaczymy z zależ noś ci
3Kf _ 8Df
oraz analogicznie dla pozostał ych współ rzę dnych.
P o wykonaniu obliczeń omawiane sił y przedstawimy w formie zależ noś ci
P
t
= A
t
U
t
+J
t
U
h
(3.16)
gdzie:
\ + \A n = x s , 2 2 \ x \ , 3 3 7 r [ r i { i k
z \ a
x
i z \ a
xk
=—la
x
+ xl 1, A
5S
=-
T
[a
xk
+ x
2
lk
1, (3.17)
2
U
x
— 7 — r — — = = > "Kfc — '
P ozostał e wyrazy macierzy A( przyjmują zerowe wartoś ci. Wyrazy macierzy T ; mają
analogiczną postać d o wyrazów macierzy A.
Wyrazy T f otrzym am y p o podstawien iu d o At w miejsce współ czynników sztywnoś ci
współ czynniki tł um ien ia oraz w miejsce przemieszczeń prę dkoś ci przemieszczeń.
Zależ ność (3.16) wykorzystać m oż na do modelowania uł oż yskowania wirnika na
izotropowych i an izotropowych podporach . Jeż eli zał oż ymy x
t
— x
2
, ł?i = v\
2
, x
kl
= x
kl
i >?*i = Vk2 wyrazy macierzy A| i T f przyjmują postać taką jak dla izotropowych sprę ż ysto-
tł umią cych podpór, które rozpatrywan o w [1] i [2]. Jeż eli wyznaczymy w nastę pują cy
sposób wartoś ci wyrazów ww. m acierzy:
A
22
przy F i = 0, A
44
. przy U
t
= 0, A
33
przy Vi = 0 i A
5S
przy U[ = 0 oraz analogicznie
wyrazy 7y — przy zerowych wartoś ciach prę dkoś ci przemieszczeń, zależ ność (3.16)
przyjmuje wówczas postać taką jak dla ortotropowych podpór [3].
P o wykorzystaniu wyż ej podan ych zależ noś ci, równanie dynamicznej równowagi
obracają cego się wirn ika przyjmuje postać
, U, U), (3.18)
gdzie:
K(U) — macierz sztywnoś ci wirn ika i sztywnoś ci podpór,
C i (U ) — macierz tł um ien ia materiał owego wirnika i tł umienia podpór,
U—wektor przemieszczeń krawę dzi elementów wirnika.
Znaczenie pozostał ych macierzy równ an ia (3.18) jest takie same jak dla macierzy
elementu.
ii*
164 J. M AN E K O WSK I
4. N umeryczna analiza
Wyprowadzone w poprzednim paragrafie równanie (3.18) wykorzystano do wyznacze-
n ia przemieszczeń, naprę ż eń w wale, obcią ż eń podpór ł oż yskowych wirn ika n a anizotro-
powych podporach .
D o rozwią zania powyż szego równania zastosowano m etodę numerycznego cał kowania
Wilsona — N ewmarka ([5], [9]).
M etoda ta pozwala na obliczenie wektorów przemieszczeń {U} oraz jego pierwszej
i drugiej pochodnej wzglę dem czasu w chwili t+At, jeż eli zn an e są te wektory w chwili t.
At jest krokiem cał kowania. Ww. wektory dla chwili t+At oblicza się p o uprzednim wy-
znaczeniu wektora U w chwili t+r ( T = 1.4- At) z algebraicznego równ an ia, które dla
zależ noś ci (3.18) przyjmuje postać (por. [9])
r)U(t+r) = F*(t+r) (4.1)
Czł ony nieliniowe równania (4.1), wynikają ce z przyję tych zał oż eń dotyczą cych anizo-
tropii podpór i momentów sił bezwł adnoś ci (por. (2.10), (2.2.8) i (3.18)), przyję to dla
chwili t+ x jako wielkoś ci obliczone z wykorzystaniem U, Ui U okreś lonych dla chwili /.
U przedzają c wyniki obliczeń — obliczenia testowe wykazał y, że dla dostatecznie mał ych
kroków cał kowania At powyż sze zał oż enie pomijalnie wpł ywa n a dokł adn ość rozwią zań.
D o rozwią zania równania (4.1) wykorzystano, analogicznie ja k w pracy [9], procedury
IPASM O i XPASM O [7].
Bezpoś rednio po wyznaczeniu wektorów U, U i U okreś lić m oż na wartoś ci naprę ż eń
((2.4), (2.5)), obcią ż eń podpór ł oż yskowych ((3.16)), wartoś ci sił i m om en tów sił bezwł ad-
noś ci ((2.6), (2.8)).
N iż ej zamieszczono przykł adowe wyniki obliczeń dla wirnika z przewieszoną tarczą ,
o stał ym przekroju poprzecznym wał u, podpartego n a dwóch anizotropowych podporach.
D ane wirnika: E = 2.05 1 0 u N / m 2, G = 7,9 • 1O10 N / m 2 , r
w
= 0.0185 m r
z
= 0.021 m
L = 2.4 m, L
p
— 2 m, m
t
— 1 kg, I
it
— 0,5 / o t = 0.01 kgm
2 sztywność poprzeczna obu
podpór — jednakowa ar, = 104 N / m, K
%
= 106 N / m . Przyję to, że ką t skrę cenia wału
w miejscu zamocowania pierwszej podpory (podpora A- rys. 4) jest równy zeru.
Kolejne czę stoś ci gię tnych drgań wł asnych omawianego wirnika przy precesji współ -
bież nej, obliczone metodą przedstawioną w pracy [2], przy zał oż eniu izotropii podpór —
«, «. X a = 10* N / m (2.10) są równe wgw = 79; 779 rad/ s.
Z kolei pierwsza czę stość skrę tnych drgań wł asnych w
s
— 444 rad/ s. Jako obcią ż enie
zewnę trzne przyję to sił y i momenty sił od zamocowanej n a tarczy masy skupionej m, =
= 0,1 kg na promieniu r, = 0.1 m rys. 1.
Obcią ż enie to okreś lono zależ noś ciami (por. (2.6)):
P
x
, - - m
s
M
zt
= - m
s = ń nW , c = cos!F , W =
ANALIZA DYNAMIKI WIRNIKA 165
D odatkowo zał oż ono obcią ż enie wirnika w postaci momentu skrę cają cego M
s
przył oż o-
nego w miejscu zam ocowan ia tarczy. Zamieszczone na rys. 4- 4-6 wyniki obliczeń dotyczą
ww. wirnika podczas rozruchu. P rę dkość ką towa roś nie liniowo w czasie ls — od zera
do wartoś ci Q — 100 rad/ s. M om en t skrę cają cy również roś nie liniowo od zera do 1000 N m
w czasie ls.
N a rys. 4 i 5 zamieszczono wyniki obliczeń przemieszczeń osi wirnika w miejscach
jego podparcia (rys. 4) oraz zam ocowania tarczy (rys. 5). P okazan o tu zmianę w funkcji
czasu przemieszczeń w kierun ku osi X— U, w kierun ku osi Y- V oraz ką ty skrę cenia W .
Oś wał u wiruje wokół statycznej linii ugię cia, okreś lonej przemieszczeniami w chwili
/ r= o — wynikają cymi z dział ania sił cię ż koś ci.
SW\AA W f
^ %= 2 H | — -
1 1 1 ) 1 1 )
02 ĆK • 0 6 0 8 VÓ 12 H sj
Rys. 4
W począ tkowym okresie rozruchu nastę puje intensywny wzrost ww. przemieszczeń.
Po czasie ok. 0.3 s wystę puje spadek wielkoś ci przemieszczeń. P o zakoń czeniu rozruchu
nastę puje bardzo szybkie ustalenie wartoś ci przemieszczeń (amplitud przemieszczeń ).
W czasie rozruchu i p o jego zakoń czeniu tory ruchu osi wirnika mają kształ t eliptyczny.
Kierunek wirowania osi wał u jest zgodny z kierunkiem wektora prę dkoś ci ką towej Q.
Zamieszczone n a ww. rysunkach ką ty skrę cenia V rosną liniowo w czasie, z wyją tkiem
począ tkowego i koń cowego etapu rozruchu.
166 J. MANEROWSKI
N a rys. 6 przedstawiono zmianę w czasie naprę ż eń n orm aln ych w wale. Rys. 6a do-
tyczy zmian ww. naprę ż eń n a promieniu zewnę trznym w czę ś ci mię dzypodporowej wał u —
w odległ oś ci 0.25 L od podpory B,
U,V- 105fm!
i|M 0 3 t r n d ]
Rys. 5
Z kolei rys. 6b — analogicznie w poł owie dł ugoś ci przewieszonego odcinka wał u.
Omawiane naprę ż enia okreś lone są dla ką ta K E H H Oro
P OTOP A H A AH H 3O T P O I I H L I X
^HCJieHHoro HCCJiefloBaioiH nepeiwemeiarfi BHyrpeHHHX am, H arpy30K non-
: noflnop H eo^H opoflH bix poTOpoB, Bpam awn iH xca c nepeitteifflbiMH yrjioBbwa CKOPOCTHMH
c H arpy3Koii nepeMemibiMH c yqe'TOM BpeiweHH CHJiaiwH H MOMeirraMH C H JI . HcnoJi&3OBaH Merofl KOHê nibix
3JieMeHTOB B BapHSHTe nepeMemeHHft.
PaccMOTpeH poTop, noflKpenjie'HHbift aHH3OTponHbiMH noflnopiaM H j Baji poTopa nweeT B U S raSicoń
ypaBHeHHH paBH OBeam Bparqaiom eroca poTopa y^HTWBaioT MHepqHOHMoe conp;i-
npiiMepH bie pe3y^BTaTbi pac^ieioB.
S u m m a r y
A M ETH OD O F N U M ER I C AL AN ALYSIS O F T H E D YN AM I C S OF
A N ON STATION ARY LOAD ED ROTOR O N AN ISOTROP IC SU P P ORTS
A method of numerical analysis has been presented for displacements, internal forces, loads on bea-
rings for heterogeneous rotors, rotating with variable angular velocities and loaded by variable in time
forces and moments of forces. The finite element method in version of the displacement method has been
applied.
The rotor resting on anisotropic supports has been analysed; th e rotor shaft has the form of a slender
beam. The equations of equilibrium for rotating rotor include the inertial coupling of bending and torsion.
Results of example calculations have been given.
Praca wpł ynę ł a do Redakcji dnia 18 marca 1986 roku.