Modellierung eines industriellen Rotors mit HyperWorks

Transkript

1 Modellierung eines industriellen Rotors mit HyperWorks Christopher Dahler, Matthias R. Leiner 9. HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen Böblingen, 20. März

2 Zielsetzung Entwicklung eines parametrisierten, hybriden MKS-Modells eines industriell eingesetzten Radialventilators als Basis von Simulationen neuer Konzepte, die einen Betrieb in der Nähe der ersten Biegeeigenfrequenz ermöglichen 2

3 Überblick (1) Reales Referenzsystem 1D-FE-Modell Gegenflansch Laufrad 3D-FE-Modell Welle Analytische Abschätzung MKS-Modell 3

4 Überblick (2) Reales Referenzsystem 1D-FE-Modell 3D-FE-Modell Einfluss der Wellenlagerungsart Bestimmung der Eigenfrequenzen und -formen Analytische Abschätzung MKS-Modell 4

5 Überblick (3) Reales Referenzsystem 1D-FE-Modell 3D-FE-Modell Analytische Abschätzung MKS-Modell Lager-Modellierungsvarianten sowie Wellengeometrie Bestimmung der Eigenfrequenzen und -formen 5

6 Überblick (4) Reales Referenzsystem l/2 l/2 m P E, I, m W 1D-FE-Modell 3D-FE-Modell Analytische Abschätzung MKS-Modell Modellierung der Welle als massebehaftetes Kontinuum (Bernoulli-Balken) Modellierung des Laufrades und Gegenflansches als eine konzentrierte Punktmasse Fest-Los-Lagerung 6

7 Überblick (5) Reales Referenzsystem 1D-FE-Modell 3D-FE-Modell Analytische Abschätzung MKS-Modell Parametrisierter Aufbau der Welle Einbindung von Laufrad bzw. Gegenflansch als starre oder elastische Körper 7

8 1D-FE-Modell Pos. B (Loslager) Pos. A (Festlager) Untergliederung der Welle in Abschnitte Ersetzung konischer Abschnitte durch Abschnitte mit gemittelten Durchmessern Vernetzung jedes einzelnen Abschnittes mit Line-Mesh -Methode Fest-Los-Lagerung: Elimination von Starrkörperfrequenzen durch Sperrung eines Freiheitsgrades (Rot.X an Pos. A) Welle Feste Einspannung Fest-Los- Lagerung Eigenform [Hz] [Hz] 1. Biegung 60,2 47,9 1. Torsion ,3 2. Biegung Welle + Laufrad + Gegenflansch Fest-Los-Lagerung Eigenform [Hz] 1. Torsion 12,5 1. Biegung 30,3 2. Biegung 91,0 Laufrad bzw. Gegenflansch als starre Punktmasse ( CONM2 ) modelliert und an entsprechenden Knoten gebunden 8

9 3D-FE-Modell Komponenten-Modellierung (1) Modellierung der Welle Modellierung des Laufrades Kopplung Welle- Laufrad Strukturierte Oberflächenvernetzung Volumenvernetzung mittels Tetra-Mesh -Funktion 9

10 3D-FE-Modell Komponenten-Modellierung (2) Modellierung der Welle Modellierung des Laufrades Kopplung Welle- Laufrad Generierung einer Mittelfläche ( Midsurface ) Separation eines sinnvollen Teilbereiches 2D-Vernetzung (strukturiert, unstrukturiert) Vervielfältigung, Rotation und Spiegelung des Teilnetzes Verschmelzung und Wiederherstellung von doppelten Knoten und Verbindungen 10

11 3D-FE-Modell Komponenten-Modellierung (3) Modellierung der Welle Modellierung des Laufrades Kopplung Welle- Laufrad Kopplung von 2D- und 3D- Elementen über Schnittstelle ( Interface ) Definition zweier Kontaktflächen ( Contact- Surfaces ) Definition der Schnittstelle als Schweißverbindung ( TIE-Contact ) Ergänzung bzw. Elimination von Freiheitsgraden mit Auto-SPC -Funktion 11

12 3D-FE-Modell Lager-Modellierung & Wellengeometrie Umlaufende Lagerung (U): Definition entsprechender SPC s für alle auf der Oberfläche (Kreis) befindlichen Knoten Welle Fest-Los-Lagerung Originale Geom. Vereinfachte Geom. U P U P Eigenform [Hz] [Hz] [Hz] [Hz] 1. Biegung 52,3 47,3 52,5 46,6 1. Torsion , ,3 2. Biegung Punktförmige Lagerung (P): Modellierung der Lager mithilfe von gekoppelten RBE-3 - und CBUSH -Elementen 12

13 Vergleich 1D-FE / 3D-FE / analytische Abschätzung Welle Punktförmige Fest-Los-Lagerung 1D 3D Eigenform [Hz] [Hz] 1. Biegung 47,9 46,6 1. Torsion 93,3 83,3 2. Biegung Analytische Abschätzung: ff 1.BBBBBBBBBBBBBB,RRRRRRRRRR = 1 2ππ EE II ll mm WW + mm PP 1. Biegeeigenfrequenz ca. 33,4 Hz Welle + Laufrad + Gegenflansch Punktförmige Fest-Los-Lagerung 1D 3D Punktmasse Laufrad Elastisches Laufrad Eigenform [Hz] [Hz] 1. Torsion Laufrad - 12,1 1. Biegung Laufrad - 24,9 1. Biegung Rotor 30,3 29,6 1. Längs Laufrad - 38,8 2. Biegung Laufrad - 84,7 2. Biegung Rotor 91,

14 MKS-Modell: Anforderungen Anforderungen Lagerung: holonome Bindung / isotrop-elastisch / orthotropelastisch Welle-Laufrad- Modellierung Wellen- Parametrisierung Ergebnisse, Zusammenfassung Welle: massebehaftet, linear-elastisch (schubstarr) Laufrad: massebehaftet, starr / linear-elastisch, Exzentrizität und Schiefstellung gegenüber Welle möglich Berücksichtigung von Kreiselmomenten (Auswirkung: drehzahlabhängige Resonanzfrequenzen bei Kippeigenformen) Antrieb: rheonome Bindung / Kennlinenmodell / dynamisches Modell Gesamtmodell: leicht parametrisierbar (Ziel: Optimierung) Transiente Simulation: instationäre Vorgänge (z. B. Resonanzdurchfahrt mit starkem/schwachem Antrieb) Möglichst kurze Rechenzeiten 14

15 MKS-Modell: Welle-Laufrad-Modellierung Anforderungen Welle-Laufrad- Modellierung Wellen- Parametrisierung Ergebnisse, Zusammenfassung Möglichkeiten zur Modellierung elastischer Körper in MV/MS Verteilte Parameter: Component Mode Synthesis (CMS) (gemischt statisch-modale Reduktion eines FE-Modells) Craig-Bampton Methode Craig-Chang Methode Konzentrierte Parameter: Schwingerkette Polybeam (Kreisquerschnitt, Bernoulli / Timoshenko) Wellenmodellierung: Polybeam leichte Parametrisierbarkeit der abgesetzten Welle nichtlineare Federeigenschaften selbst programmierbar Laufradmodellierung: Starrkörper / elastischer Körper (CMS) 15

16 MKS-Modell: Wellen-Parametrisierung Anforderungen Welle-Laufrad- Modellierung Templates: Automatisierung des abgesetzten Wellenmodells (HW-eigener Textprozessor Templex) Live-Demo (Templates, Eigenformen mit starrem Laufrad) Grad der Parametrisierung und Automatisierung noch beliebig ausbaubar Wellen- Parametrisierung Ergebnisse, Zusammenfassung 16

17 MKS-Modell: Ergebnisse, Zusammenfassung Anforderungen Welle-Laufrad- Modellierung Wellen- Parametrisierung Ergebnisse, Zusammenfassung Welle Punktförmige Fest-Los-Lagerung 1D 3D MKS Eigenform [Hz] [Hz] [Hz] 1. Biegung 47,9 46,6 48,6 1. Torsion 93,3 83,3-2. Biegung Welle + Laufrad + Gegenflansch Punktförmige Fest-Los-Lagerung 1D 3D MKS MKS Punktmasse Laufrad Elastisches Laufrad Starres Laufrad Elastisches Laufrad Eigenform [Hz] [Hz] [Hz] [Hz] 1. Torsion Rotor - 12,1 12,5 12,5 1. Biegung Laufrad - 24,9-25,9 1. Biegung Rotor 30,3 29,6 30,6 30,7 1. Längs Laufrad - 38,8-39,6 2. Biegung Laufrad - 84,7-86,1 2. Biegung Rotor 91, ,