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Nastran_Rotor

模型介绍

  • 案例出处：rotor_dynamics.pdf—6 Rotordynamics with MSC Patran
  • 空心悬臂转子模型
  • 空心转子长 0.5 米，内径 0.05 米，外径 0.1 米
  • 转子由钢制成
  • 转速为 10,000 RPM
  • 使用 5 个 CBEAM 单元

空心悬臂转子

操作步骤

Step 1 初始化 Patran
Step 2 建立几何
Step 3 定义材料属性
Step 4 定义 1D 梁属性
Step 5 定义有限元网格
Step 6 定义约束
Step 7 定义转子
Step 8 设置分析
Step 9 在 Nastran 求解
Step 10 生成模态振型
Step 11 生成 Campbell 图

Step 1 初始化 Patran

  1. 打开 Patran
  2. File—New—选择路径、设置文件名为 rotor.db —点击 OK
  3. 点击 OK 后进入新界面—在右侧有个 New Model Preference—设置 Tolerance 为 Default—点击 OK

Step 2 建立几何

  1. 点击 Geometry 选项卡
  2. 点击 Curves — 点击 Line By XYZ—设置<0.5 0 0>与[0 0 0]—点击 Apply

Step 3: 定义材料

  1. Properties—Isotropic—弹出材料设置窗口

  1. 设置 Material Name 为 Steel
  2. 点击 Input Properties—设置弹性模量、泊松比与密度—点击 OK
  3. 点击 Apply

Step 4: 定义 1D 梁属性

  1. 点击 Properties — 点击梁 Beam—右侧弹出 Element Properties 窗口

  1. 设置 Property Set Name 为 beam_prop
  2. 设置 Options 的第一个框为 General Section (CBEAM)
  3. 点击 Input Properties—弹出 Input Properties 新窗口

  1. 点击下图 ① 处—弹出窗口—选择 Steel
  2. 在 Bar Orientation 设置<0 1 0>, 即选择 Y 方向为弯曲方向
  3. 点击下图 ③ 处—点击下一页或者上一页—选择空心圆柱截面—设置内径与外径尺寸—点击 OK

截面选择

  1. 上一步点击 OK 后回到 Element Properties 窗口—点击 Apply

Step 5: 生成有限元模型

  1. 点击 Meshing —在右侧 Finite Element 窗口按照下面设置
  2. Action: Create, Object: Mesh Seed, Type: Uniform
  3. 勾选 Number of Elements—设置 Number=5
  4. 鼠标左键点击窗口的几何线—此时右侧 Curve List 中会出现 Curve 1—点击 Apply
  5. Action: Create, Object: Mesh, Type: Curve
  6. 按照下图进行设置—点击 Apply

Step 6: 定义约束

  1. 点击 Loads/BCs 选项卡—在右侧弹出新窗口
  2. Action: Create, Object: Displacement, Type: Nodal
  3. 设置 New Set Name 为 cantilever_Rotor
  4. 点击 Input Data 设置位移与转角均为 0—点击 OK

  1. 点击 Select Application Region—Select: FEM—选择结点—点击 OK

  1. 上一步点击 OK 后回到 Load/Boundary Conditions 窗口—点击 Apply 完成约束的创建

Step 7: 定义转子

为了使 MSC Patran 捕获转子动力学效应，我们需要定义转子的成分和旋转方向

  1. Tools—Modeling—Rotor dynamics
  2. 右侧弹出窗口，Action: Create, Analysis: Steady State, and Object: Rotor
  3. 设置 Rotor Name 为 hollow_rotor
  4. 设置 Rotor Node List 为 Node 1:6，这一步将会设置 ROTORG 卡片
  5. 设置转子旋转方向，Spin Direction Node 1/2 选择 Node 2 与 Node 3
  6. 点击 Spin Profile，设置 Speed Values 为1.0， 这是一个乘数—点击 OK
  7. 点击 Apply 完成转子的设置

Step 8: 设置分析

  1. 点击 Analysis 选项卡—Action: Analyze, Object: Entire Model, Method: Analysis Desk
  2. 设置 Job Name 为 hollow_rotor_test
  3. 点击 Solution Type—弹出 Solution Type 窗口

  1. 在 Solution Type 窗口—选择 complex eigenvalue
  2. 设置 Formulation 为 Direct—点击 Solution Parameters
  3. 设置 Mass Calculations 为 Coupled—点击 complex eigenvalue, 弹出 Eigenvalue Extraction 窗口
  4. 选择 Extraction Method 为 Complex Lanczos—设置 Number of Desired Roots=12—点击 OK
  5. 点击 Results Output Format—勾选 XDB—点击 OK

  1. 继续点击 OK 返回到 Analysis 窗口
  2. 在 Analysis 窗口点击 Subcases—点击 Default—点击 Subcase Parameters 来修改
  3. 勾选 Enable Rotor Dynamics—点击 Specify Spinning Properties
  4. Option: Asynchronous — 选择 hollow_rotor—单位:RPM—Speed:10000，这一步将设置RGYRO卡片
  5. 点击 OK 关闭 Spinning Properties 窗口
  6. 点击 OK 关闭 Subcase Parameters 窗口
  7. 点击 Apply 关闭 Subcase 窗口

Step 9: 使用 Nastran 求解

  1. 检查右侧 Analysis 窗口—Action: Analyze, Object: Entire Model, Method: Analysis Desk，这样只生成 BDF 文件而不计算

  1. 打开 Nastran 软件
  2. 点击 File…, 选择上面的 BDF 文件
  3. 设置 Optional keywords 为memorymax=0.2*physical
  4. 点击 Run

  1. 求解完成后，生成的结果如下

Step 10: 生成振型

  1. 点击 Analysis 选项卡—Access Results:XDB
  2. 点击 Select Results File—选择 hollow_rotor_test.xdb—点击 OK 再点击 Apply

  1. 点击 Results 选项卡—点击选项卡下面的 Fringe/Deformation
  2. 在 Select Result Cases field 中点击 Mode 1 来绘制第一阶振型
  3. 保存振型：File—Images

Step 11: 生成 Campbell 图

目前，MSC Patran 不包括在 MSC Nastran 中启动坎贝尔图生成的功能，这需要手动修改 BDF 文件，需要修改 3 处

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ASSIGN  OUTPUT4='campbell_freq.op4',UNIT=71,FORM=FORMATTED,DELETE $ MODE FREQS
ASSIGN  OUTPUT4='campbell_rpm.op4',UNIT=72,FORM=FORMATTED,DELETE $ SHAFT SPIN

CAMPBELL = 100

CAMPBLL 100     SPEED   11      RPM
DDVAL   11      10000.0 THRU    0.0     BY      -1000.

求解

  1. 复制文件 hollow_rotor_test.bdf 并重命名为 hollow_rotor_test_campbell.bdf
  2. 安装上面的修改方式进行修改
  3. 使用 Nastran 软件来求解 hollow_rotor_test_campbell.bdf

后处理

  1. Utilities—Results—Campbell Diagram—打开 Campbell Diagram Creation 选项卡
  2. 依次选择 campbell_rpm.op4 与 campbell_freq.op4 文件
  3. 设置 Rotation Speed Multiplier 为[0 1]
  4. 点击 Apply 即可生成 Campbell 图

结论

  1. 自制的六面体实体模型在分析时，计算错误，错误结果如下：
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 *** user fatal message 6630 (rotrdr1)
rotor 3 has no associated mass which will result in no gyroscopic terms being calculated.
user action: if there is a physical model of the rotor attached to the grids listed on the rotorg entry via
       r-elements or mpc equations then define the model as a superelement and perform a static
       reduction to the rotorg grids. otherwise, ensure that the rotor model has associated mass.

转子 3 没有相关的质量，这将导致不计算陀螺仪项。用户操作：如果通过 R 单元或 MPC 方程将转子的物理模型连接到 ROTORORG 条目中列出的网格，则将该模型定义为超单元，并对 ROTORG 网格执行静态约简。否则，请确保转子模型具有关联的质量。