旋转机械模态分析 ——干模态、湿模态、预应力模态分析

Everley

1 仿真对象简述
模态分析选取有限元计算域为叶轮轮毂以及叶片部分，如果要求更高可以加入轴系部分。

1.1仿真内容
1) 进行初步干模态分析，确定转轮部分固有频率，以此来和后面分析得到的流体激励频率对比研究，来确定是否发生共振，以及共振频率和共振模态。结构力学计算域如图所示(如果想计算的更加详细，可以把轴系部分也建模)；

2) 因为转轮部分是浸没在水中的，为了让计算更加精确，进行湿模态分析，同时与上面结果对比分析，得到干、湿模态的计算差距。因为水的阻尼作用和附加质量力，湿模态振动频率要略低于干模态计算结果；

3)预应力模态分析就是将提前计算好的流体压力施加在结构域表面，进行模态计算。

2 研究方法与依据
2.1 研究方法概述
结构模态分析一般都是默认在空气中的干模态分析，而轴流泵叶轮在实际运作时是处于水中的，由水弹性及阻尼的影响，叶轮的模态与其处于空气中时常规的干模态有所差距，因此需要进行叶轮浸没于水中时的湿模态分析。干模态分析在建模时只需要建立结构部分的模型即可，不需要考虑空气部分的模型。而进行叶片湿模态时，需要同时建立叶片周围的水域模型，以模拟叶片在水中的振动状态。

叶轮模态分析的作用在于获得叶轮的振动特征，以便得到叶轮的固有频率及其振型，这是其他结构振动分析、动力分析乃至流－固耦合研究的基础。

叶轮模态分析的主要作用就是在叶轮设计阶段计算出叶轮的各阶频率及振型，以避免叶轮在加工后投入使用时因共振而发生恶劣的结构破坏而带来巨大的经济损失甚至是威胁人身安全。在ＡＮＳＹＳ环境下，进行模态分析只能是线性结构，其他的类似于塑性材料以及接触单元等等之类的一切非线性的构件，都会在进行ＡＮＳＹＳ有限元模态分析时被自动抑制。

结构模态分析一般都是默认在空气中的干模态分析，而轴流泵叶轮在实际运作时是处于水中的，由水弹性及阻尼的影响，叶轮的模态与其处于空气中时常规的干模态有所差距，因此需要进行叶轮浸没于水中时的湿模态分析。干模态分析在建模时只需要建立结构部分的模型即可，不需要考虑空气部分的模型。而进行叶片湿模态时，需要同时建立叶片周围的水域模型，以模拟叶片在水中的振动状态。

2.2网格划分技术
直接用Model中的自动网格划分方法就可以，全局网格尺寸给定为10mm，由于叶片较薄，为了保证计算精度，对叶片进行局部加密处理，和为加密的对比图如下所示，其计算精度肯定更高，有限元分析其划分的单元数量也是越多越好的。网格总节点数为248328，网格总数143868个。

加密后网格