Rotordynamics Module

Interfacce utente integrate

La piattaforma di simulazione COMSOL Multiphysics^® e i suoi moduli aggiuntivi offrono una serie di interfacce predefinite per aree fisiche specifiche. Il Rotordynamics Module fornisce interfacce dedicate per la modellazione accurata di rotori e cuscinetti. L'interfaccia Solid Rotor è utilizzata per modellare un rotore come modello geometrico 3D completo realizzato con software CAD o utilizzando le funzionalità CAD integrate di COMSOL Multiphysics^®. L'interfaccia Beam Rotor offre un metodo meno costoso dal punto di vista computazionale, in cui il rotore può essere modellato come una trave 1D e i componenti del rotore possono essere implementati come punti all'interno del modello.

Le interfacce Solid Rotor e Beam Rotor possono essere utilizzate per calcolare spostamenti, velocità, accelerazioni e sollecitazioni. Per la modellazione dettagliata di un cuscinetto che include un film di lubrificante, è disponibile l'interfaccia Hydrodynamic Bearing.

Rotori a trave

La modellazione dei sistemi di rotori diventa rapidamente impegnativa dal punto di vista computazionale. Pertanto, è prassi comune semplificare la rappresentazione dell'albero. In molti casi, la dinamica complessiva di un rotore può essere modellata in modo sufficiente utilizzando un elemento beam dedicato.

Per questo tipo di analisi, si applica una rappresentazione a linee, che utilizza una descrizione geometrica efficace governata dalle proprietà della sezione trasversale dell'albero. Questo approccio può essere particolarmente utile, ad esempio, quando si tratta di sistemi di rotori costituiti da alberi assialsimmetrici con dischi idealmente rigidi. Il modello di rotore a trave può essere utilizzato anche per le simulazioni di sfregamento del rotore nei casi in cui gli spostamenti del rotore siano limitati.

Cuscinetti astratti

Spesso i rotori sono supportati da cuscinetti per evitare movimenti laterali e/o assiali in determinati punti. Nel Rotordynamics Module è disponibile una serie di cuscinetti astratti, modellati utilizzando una descrizione implicita del cuscinetto. Sono inclusi vari tipi di cuscinetti, quali:

• Cuscinetti a perno
• Cuscinetti assiali
• Cuscinetti a rulli radiali
• Cuscinetti magnetici attivi
• Cuscinetti a più spire

All'interno di queste categorie sono disponibili diverse varianti. Prendiamo, ad esempio, l'opzione per i cuscinetti a rulli radiali, Radial Roller Bearing, che può avere varianti a una o due file e comprende diversi tipi di cuscinetti, quali:

• Sfera a gola profonda
• Sfera a contatto obliquo
• Sfera autoallineante
• Rullo sferico
• Rullo cilindrico
• Rullo conico

Fondazioni

I componenti strutturali su cui poggiano i sistemi di supporto del rotore, talvolta indicati come foundation, possono essere modellati a diversi livelli di complessità. La fondazione può essere selezionata come:

• Fissa
• Flessibile
• Mobile

Quando la fondazione è significativamente più rigida del rotore e dei suoi supporti, è possibile utilizzare l'opzione Fixed Foundation, assumendo che il cuscinetto sia rigidamente fissato nello spazio. In alternativa, l'opzione Flexible Foundation imita la flessibilità della fondazione utilizzando una serie di molle flessibili. Per gli scenari in cui è necessario includere esplicitamente i movimenti della fondazione portante, è possibile selezionare l'opzione Moving Foundation.

Component Mode Synthesis (CMS)

Nel Rotordynamics Module, il metodo Craig-Bampton consente di ridurre le componenti lineari a modelli di ordine ridotto efficienti dal punto di vista computazionale. Questi componenti possono quindi essere integrati in un modello costituito unicamente da componenti ridotti o combinati con modelli elastici a elementi finiti (FE) non ridotti, che possono includere componenti non lineari. Questa tecnica, nota come component mode synthesis o dynamic substructuring, riduce significativamente sia il tempo di calcolo che l'utilizzo della memoria.

Risultati e visualizzazione

Il Rotordynamics Module offre funzionalità per la creazione di visualizzazioni chiare e concise dei risultati delle simulazioni e per rendere i dati disponibili per usi e analisi futuri. Include inoltre una serie di tipi di grafici specifici per le applicazioni di rotodinamica, tra cui:

• grafici di Whirl, che tracciano le forme di modo di un rotore che ruota intorno all'asse del rotore a intervalli discreti di rotazione
• Grafici Campbell, che tracciano le variazioni delle frequenze naturali del rotore in funzione della velocità del rotore stesso
• Diagrammi Waterfall, che visualizzano le variazioni dello spettro di frequenza in funzione della velocità di rotazione
• Grafici di orbita, che mostrano lo spostamento di alcuni componenti (o punti) del rotore, come ad esempio i dischi e i cuscinetti

Interfacce e accoppiamenti multifisici

Nel Rotordynamics Module sono disponibili accoppiamenti multifisici che possono essere utilizzati per catturare gli effetti di vortice e whip dell'olio. Per modellare un rotore 3D con un cuscinetto idrodinamico e le relative interazioni, è possibile utilizzare l'interfaccia multifisica Solid Rotor with Hydrodynamic Bearing. Questa interfaccia combina le interfacce Solid Rotor e Hydrodynamic Bearing attraverso un accoppiamento multifisico Solid Rotor-Bearing Coupling. Questo accoppiamento trasferisce le informazioni di velocità e spostamento dall'interfaccia Solid Rotor all'interfaccia Hydrodynamic Bearing.

Per modellare un rotore definito come una trave e un cuscinetto idrodinamico, nonché le interazioni tra di essi, l'interfaccia multifisica Beam Rotor with Hydrodynamic Bearing combina le interfacce Beam Rotor e Hydrodynamic Bearing attraverso l'accoppiamento multifisico Beam Rotor-Bearing Coupling.

Rotori solidi

In alcune applicazioni non è possibile ignorare fattori quali le asimmetrie del rotore, le deflessioni della sezione trasversale o la dinamica di dischi, pale e altri accessori. In questi casi, la geometria può essere modellata esplicitamente utilizzando una rappresentazione 3D completa del rotore.

Questo approccio cattura automaticamente gli effetti del softening dello spin e dell'irrigidimento delle sollecitazioni attraverso la descrizione del continuum sottostante, offrendo la rappresentazione più accurata del comportamento dei rotori in varie condizioni.

Cuscinetti idrodinamici

Per simulazioni più avanzate di rotori supportati da cuscinetti a film fluido, è possibile utilizzare l'interfaccia Hydrodynamic Bearing. Questa interfaccia consente di studiare la distribuzione della pressione, il campo di velocità e le perdite di carico in un film fluido. Quando si utilizzano liquidi come lubrificanti, è possibile eseguire semplici analisi con l'equazione di Reynolds o tenere conto della cavitazione con la teoria della cavitazione di Jakobsson-Floberg-Olsson (JFO). Per i cuscinetti lubrificati con gas, si utilizza un'equazione di Reynolds modificata.

L'interfaccia può essere utilizzata per la modellazione di vari tipi di cuscinetti e smorzatori predefiniti o anche specificati dall'utente. I tipi predefiniti comprendono:

• Cuscinetti idrodinamici:
  • Piano
  • Ellittico
  • Diviso a metà
  • Multilobo
  • Cuscinetto inclinabile
• Cuscinetti idrodinamici reggispinta:
  • Passo
  • Piano conico
  • Cuscinetto inclinabile
• Cuscinetto ad anello flottante
• Smorzatore a film comprimibile

È inoltre possibile specificare ingressi, uscite o disallineamenti dei cuscinetti per rappresentare il cuscinetto in questione.

Modelli di materiale

Nel Rotordynamics Module, la funzione Linear Elastic Material è utilizzata come modello di materiale predefinito. Questa funzione aggiunge equazioni per gli spostamenti in un rotore elastico lineare e può definire le proprietà elastiche e inerziali di un materiale. Le equazioni di questa funzione tengono conto delle forze di accelerazione del telaio indotte dalla rotazione del rotore. È possibile incorporare anche molti altri effetti, come l'espansione termica, le sollecitazioni e le deformazioni iniziali ed esterne e lo smorzamento.

Tipi di studio

Il Rotordynamics Module offre una serie di tipi di studio per le analisi statiche e dinamiche dei gruppi di rotori. Sono inclusi studi parametrici per esplorare il comportamento di un rotore in diverse condizioni, come ad esempio la variazione dell'eccentricità della massa, utilizzando lo studio Stationary. Lo studio di Eigenfrequency, invece, è particolarmente utile per identificare intervalli operativi stabili e velocità critiche, conducendo analisi ripetute di frequenze proprie su una gamma di velocità di rotazione.

Per gli scenari in cui tutti i carichi sul rotore sono armonici nel tempo, lo studio Frequency Domain calcola la risposta del rotore. Si può utilizzare uno studio nel dominio del tempo quando si considerano gli effetti inerziali degli squilibri e le loro variazioni temporali rispetto al telaio corotante.

Uno studio Transient with FFT esegue uno sweep parametrico sulla velocità angolare del rotore e comprende una simulazione nel dominio del tempo seguita da una trasformata rapida di Fourier (FFT). Questo tipo di studio è costoso dal punto di vista computazionale, ma è vantaggioso quando le vibrazioni subsincrone e supersincrone nel sistema rotore-cuscinetto sono predominanti.

Analisi multifisiche estese

Il Rotordynamics Module può essere combinato con altri prodotti della suite COMSOL per eseguire simulazioni accoppiate e analisi multifisiche. Ciò consente di esaminare in modo approfondito i vari effetti fisici su un sistema di rotori. Ad esempio, combinando il Rotordynamics Module con il Multibody Dynamics Module, è possibile effettuare simulazioni transitorie per prevedere le vibrazioni di un gruppo rotore ingranato quando è sottoposto a una coppia esterna. Analogamente, per valutare la durata a fatica dei componenti dello statore e del rotore, il Rotordynamics Module può essere combinato senza problemi con il Fatigue Module.