Rotordynamics Module
L'Update 2 della versione 5.2a di COMSOL Multiphysics® introduce il nuovo Rotordynamics Module. Questo add-on dello Structural Mechanics Module consente di modellare componenti e parti in macchine rotanti, dove asimmetrie e rotazione possono portare a instabilità e risonanze dannose. Per saperne di più sulle funzionalità e le caratteristiche del Rotordynamics Module prosegui la lettura.
Simulazioni di macchine rotanti e di rotodinamica
Il Rotordynamics Module simula il comportamento di rotori e dei loro componenti in applicazioni che coinvolgono macchine rotanti. Si possono valutare le frequenze proprie di tali sistemi, anche in situazioni in cui il funzionamento del rotore può portare a velocità critiche e risonanza che potrebbero dipendere o meno da sbilanciamenti. Tali simulazioni sono utilizzate per studiare le parti rotanti in dispositivi impiegati nell'industria automobilistica, aerospaziale, per la produzione di energia e per la casa.
Ora disponibile come add-on dello Structural Mechanics Module, il Rotordynamics Module consente di determinare risonanze, sforzi e deformazioni in rotori, cuscinetti, dischi, e supporti, in modo da poter garantire che rimangano entro limiti operativi accettabili.
Distribuzione di pressione nel lubrificante di un cuscinetto e sforzi di von Mises, ottenuti utilizzando l'interfaccia Solid Rotor.
Distribuzione di pressione nel lubrificante di un cuscinetto e sforzi di von Mises, ottenuti utilizzando l'interfaccia Solid Rotor.
Cinque nuove interfacce per modellare la rotodinamica
Sono state introdotte cinque nuove interfacce per il nodo Structural Mechanics nel Model Wizard, sotto il nodo Rotordynamics:
Solid Rotor: Attraverso l'uso di elementi solidi, è possibile utilizzare questa interfaccia per modellare rappresentazioni geometriche 3D complete delle parti che costituiscono una macchina rotante. Anche se computazionalmente costosa, l'interfaccia Solid Rotor permette di includere effetti geometrici lineari e di tenere conto di spin softening, stress stiffening, così come di deformazioni in cuscinetti e supporti.
Beam Rotor: Questa interfaccia fornisce una soluzione più rapida e computazionalmente meno costosa schematizzando i rotori come beam, e gli altri componenti delle macchine rotanti come punti. Proprietà intrinseche del rotore, come l'area della sezione trasversale e i momenti di inerzia, vengono utilizzati per definire la fisica. È possibile separare le componenti assiale, flessionale e torsionale dell'analisi rotodinamica e la loro risposta in base alla velocità angolare del rotore.
Hydrodynamic Bearing: Progettata per la modellazione completa dei cuscinetti idrodinamici, compresi gli effetti del film lubrificante, questa interfaccia può essere usata per modellare solo le proprietà del cuscinetto o essere combinata con altre interfacce (vedi sotto). Risolvendo l'equazione di Reynolds, è possibile analizzare gli effetti dell'olio lubrificante tra perni e boccole per i seguenti tipi di cuscinetti idrodinamici: planari, ellittici, in due metà, a lobi, a pattini oscillanti, o definiti dall'utente.
Solid Rotor with Hydrodynamic Bearing: Per la modellazione di un rotore 3D, discretizzato con elementi solidi e utilizzando l'interfaccia Solid Rotor, e di cuscinetti idrodinamici, usando l'interfaccia Hydrodynamic Bearing.
Beam Rotor with Hydrodynamic Bearing: Per la modellazione approssimata di un rotore, discretizzato con elementi beam e usando l'interfaccia Beam Rotor, e di cuscinetti idrodinamici, usando l'interfaccia Hydrodynamic Bearing.
Oltre ai cuscinetti idrodinamici, il comportamento di altri componenti può essere incluso in termini di parametri concentrati in un certo numero di funzionalità specifiche. Questo include cuscinetti portanti, cuscinetti reggispinta e supporti.
Il nodo Structural Mechanics nel Model Wizard con il nuovo sottonodo Rotordynamics e le interfacce costituenti.
Il nodo Structural Mechanics nel Model Wizard con il nuovo sottonodo Rotordynamics e le interfacce costituenti.
Analisi delle applicazioni rotodinamiche con varie tipologie di studio
Quando si utilizza il Rotordynamics Module, ciò che è statico e ciò che è dinamico è determinato in linea di massima da un osservatore in un sistema di riferimento solidale col rotore. In generale, in meccanica strutturale le diverse forme di analisi dinamiche vengono utilizzate quando le forze inerziali non possono essere trascurate. Dal momento che le interfacce rotodinamiche sono formulate in un sistema di riferimento solidale col rotore, alcuni degli effetti inerziali sono già presi in considerazione come carichi statici. Così, un rotore che gira in condizioni che sono stazionarie rispetto a un osservatore solidale non necessita di un'analisi dinamica. Questa semplificazione è uno dei vantaggi fondamentali forniti dal Rotordynamics Module. D'altra parte, un carico che è fisso in un sistema di riferimento spaziale, come la gravità, avrà una variazione armonica se visto dalla prospettiva dell'osservatore solidale e fornisce un'eccitazione dinamica.
Il Rotordynamics Module offre i seguenti tipi di studio per analisi sia statiche che dinamiche quando si analizzano macchine rotanti:
- Studio stazionario
- Studio agli autovalori
- Studio nel dominio delle frequenze
- Studio nel dominio del tempo
- Studio transitorio con FFT
Un whirl plot che mostra la terza forma modale di un rotore supportato agli estremi da due cuscinetti.
Un whirl plot che mostra la terza forma modale di un rotore supportato agli estremi da due cuscinetti.
Visualizzazione dei risultati con grafici dedicati
E' possibile creare grafici chiari ed essenziali dei risultati della simulazione utilizzando i diagrammi dedicati recentemente inclusi:
Whirl plots: Visualizzano le forme modali di un rotore attorno al suo asse a intervalli di rotazione discreti.
Diagrammi di Campbell: Visualizzano le variazioni delle frequenze di risonanza del rotore rispetto alla velocità del rotore stesso. In forward whirl, la frequenza cresce con la velocità del rotore, mentre in backward whirl, la frequenza propria diminuisce con la velocità del rotore.
Grafici a cascata: Mostrano le variazioni dello spettro delle frequenze rispetto alla velocità angolare del rotore.
Diagrammi delle orbite: Visualizzano le orbite 3D di determinati punti del rotore, che sono spesso legati alla posizione di componenti, come dischi, cuscinetti, ecc.
Visita la pagina dedicata al Rotordynamics Module per avere una panoramica completa.
Orbite tracciate da un perno, risultanti dall'analisi rotodinamica di un albero motore.