JP2008129726A - Design device and design method for rotational structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design device and a design method for a rotational structure, in which a finite element model of the rotational structure is changed so that the rotational structure can satisfy conditions relating to such design items as a critical speed, vibration amplitude and a bearing load. <P>SOLUTION: The design method for the rotational structure includes: creating an equation of motion for the finite element model of the rotational structure created by beam elements or beam elements and rigid disk elements, under the consideration of a power acting on the model (S104); analytically calculating sensitivity coefficients showing to which extent the design items change when changing certain design variables if the conditions of the design items are not satisfied (S114); and changing the finite element model by an optimization planning method by using the sensitivity coefficients (S116, S118). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、回転構造体の設計に関する。   The present invention relates to the design of rotating structures.

中心軸の周りを回転する回転構造体の物理的特性値を解析する装置、またその設計を支援する装置が知られている。例えば、下記特許文献1には、伝達マトリクス法とモード解析法を用いて、回転構造体のアンバランスにより生じる振動の解析を行い、これを用いてバランスウェイトの効果を予測する技術が記載されている。また、特許文献2には、有限要素法を用いて回転翼の振動を求め、実験計画法によるパラメータスタディにより翼の最適形状を求める技術が記載されている。   An apparatus for analyzing a physical characteristic value of a rotating structure rotating around a central axis and an apparatus for supporting the design are known. For example, the following Patent Document 1 describes a technique for analyzing vibration generated by unbalance of a rotating structure using a transfer matrix method and a mode analysis method, and using this to predict the effect of a balance weight. Yes. Patent Document 2 describes a technique for obtaining vibrations of a rotor blade using a finite element method and obtaining an optimum blade shape by a parameter study based on an experimental design method.

また、特許文献3および4には、有限要素法とひずみエネルギによる感度解析を用いて、繰り返し計算により、目標の固有振動数や強制振動レベルを満足する最適構造を設計する技術が記載されている。   Patent Documents 3 and 4 describe a technique for designing an optimum structure that satisfies a target natural frequency and a forced vibration level by iterative calculation using sensitivity analysis using a finite element method and strain energy. .

特開平6−331479号公報JP-A-6-331479 特開2005−92358号公報JP 2005-92358 A 特開平8−83303号公報JP-A-8-83303 特開2005−25554号公報JP 2005-25554 A

上記特許文献1,2の技術においては、形状やその他の特性を定めた回転構造体のモデルに基づき、そのモデルについての解析を行うことができる。そして、設計要求を満足するような回転構造体を得るためには、形状やその他の特性を示す設計変数を変更する(パラメータスタディ)試行錯誤を行う必要がある。この試行錯誤は、必要な性能を得るまでに多大な時間を要する場合がある。特に、どの設計変数をどのように変更するのかについて、操作者の経験に負うところが大きく、経験の不足した操作者の場合、無駄が多くなる場合がある。   In the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, the model can be analyzed based on the model of the rotating structure that defines the shape and other characteristics. In order to obtain a rotating structure that satisfies the design requirements, it is necessary to perform trial and error by changing the design variables indicating the shape and other characteristics (parameter study). This trial and error may take a long time to obtain the required performance. In particular, the operator's experience largely depends on which design variable is to be changed, and in the case of an operator having insufficient experience, there is a case where waste is increased.

また、上記特許文献3,4においては、目標となる要求を満足するように最適化を行う手法が示されているが、どのパラメータがどれくらい設計要求に寄与しているのかが不明であり、効率よく、設計条件への適合化を行うことができなかった。   Further, in the above Patent Documents 3 and 4, a technique for performing optimization so as to satisfy the target requirement is shown, but it is unclear which parameter contributes to the design requirement and the efficiency. Well, it was not possible to adapt to the design conditions.

本発明は、回転構造体の設計を効率よく行う設計装置を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the design apparatus which designs a rotary structure efficiently.

本発明にかかる回転構造体の設計においては、回転構造体の有限要素モデルとして、複数のはり要素にて形成された回転構造体モデル、または複数のはり要素と少なくとも一つの剛体円板要素にて作成された回転構造体モデルを支持要素で支持したモデルを使用する。はり要素は、中心軸に対し回転対称で中心軸方向に有限の長さを有する要素であり、丸棒様の要素である。はり要素にて形成されたモデルを用いることで、所定の性能項目に関して、モデルを変形したときに、この性能が変化する程度、すなわち感度を示す係数を解析的に求めることができる。例えば、一つのはり要素の長さを変更したときに、回転構造体の性能項目の一例である危険速度がどの程度変化するかが、解析的に求まる。また、支持要素は、弾性・減衰要素による支持要素、特に線形ばね・速度比例の減衰からなる支持要素とすることができる。   In the design of the rotating structure according to the present invention, as a finite element model of the rotating structure, a rotating structure model formed by a plurality of beam elements, or a plurality of beam elements and at least one rigid disc element is used. A model in which the created rotating structure model is supported by a support element is used. The beam element is an element having rotational symmetry with respect to the central axis and a finite length in the central axis direction, and is a round bar-like element. By using a model formed of beam elements, it is possible to analytically determine the degree of change in performance when a model is deformed, that is, a coefficient indicating sensitivity, for a predetermined performance item. For example, when the length of one beam element is changed, it is analytically determined how much the critical speed, which is an example of the performance item of the rotating structure, changes. Further, the support element may be a support element constituted by an elastic / damping element, in particular, a support element comprising a linear spring / speed proportional damping.

感度係数は、具体的には、以下のように求めることができる。まず、有限要素モデルとモデルに加わる外力とから回転構造体の運動方程式を導出する。運動方程式の各項、すなわち弾性項、減衰項、ばね項の各項の係数行列を構成する特性行列について、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数を算出する。この感度係数は、はり要素を用いているために、解析的に求めることができる。この特性行列の感度係数を用いて、性能項目についての設計変数に対する感度係数が表現できる。   Specifically, the sensitivity coefficient can be obtained as follows. First, the equation of motion of the rotating structure is derived from the finite element model and the external force applied to the model. The sensitivity coefficient for the design variable of the finite element model is calculated for the characteristic matrix constituting the coefficient matrix of each term of the equation of motion, that is, each term of the elastic term, the damping term, and the spring term. This sensitivity coefficient can be obtained analytically because a beam element is used. Using the sensitivity coefficient of this characteristic matrix, the sensitivity coefficient for the design variable for the performance item can be expressed.

有限要素モデルの設計変数に対する各性能項目の感度係数が求められていれば、性能項目に関して設計上の条件を満たすようにするために、モデルをどのように変更すれば良いかが推定できる。よって、試行錯誤でモデルを作成するより効率的に、設計項目の設計条件に適合したモデルを算出することができる。   If the sensitivity coefficient of each performance item with respect to the design variable of the finite element model is obtained, it can be estimated how to change the model in order to satisfy the design condition with respect to the performance item. Therefore, it is possible to calculate a model adapted to the design condition of the design item more efficiently than creating a model by trial and error.

回転構造体の性能項目は、危険速度、振動振幅および当該回転構造体を支持する軸受の軸受荷重が含まれる。そして、例えば危険速度が当該回転構造体の使用回転速度の上限値の何倍以上などと規定された設計条件に対し、この条件を満足するよう有限要素モデルの変更、すなわち設計変数の変更を繰り返す。   The performance items of the rotating structure include critical speed, vibration amplitude, and bearing load of the bearing that supports the rotating structure. For example, for a design condition in which the critical speed is defined as a multiple of the upper limit value of the rotational speed of use of the rotating structure, the finite element model is changed, that is, the design variable is changed so as to satisfy this condition. .

本発明によれば、有限要素モデルをはり要素にて作成したことにより、性能項目の感度係数を解析的に求めることができ、演算量を削減することができる。また、感度係数を用いて有限要素モデルの変更を行うことにより、設計条件への適合を、効率的に行うことができる。   According to the present invention, since the finite element model is created by the beam element, the sensitivity coefficient of the performance item can be obtained analytically, and the amount of calculation can be reduced. Further, by changing the finite element model using the sensitivity coefficient, it is possible to efficiently adapt to the design conditions.

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図1は、本実施形態の回転構造体の設計装置10を含む設計システム12の概略構成を示すブロック図である。設計装置10は、プログラム記憶部14に記憶されたプログラムに従って動作するコンピュータとすることができ、設計装置10内の各ブロックは、コンピュータの各機能を示すブロックである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a design system 12 including a rotating structure design apparatus 10 according to the present embodiment. The design apparatus 10 can be a computer that operates according to a program stored in the program storage unit 14, and each block in the design apparatus 10 is a block that indicates each function of the computer.

設計装置10は、外部との情報の授受を行う入出力部16を備えている。入出力部16により、外部で作成された有限要素モデル18を取得することができる。また、有限要素モデル18は、プログラム記憶部14に、有限要素モデル作成のためのプログラムを記憶しておき、設計装置10内部にて作成するようにもできる。有限要素モデル18は、後述するように、はり要素にて、またははり要素と剛体円板要素にて作成されたモデルである。入出力部16は、操作者20からの操作入力、例えば設計条件の入力、設計装置10の動作指示等の入力を受け付ける。また、入出力部16より、表示装置、印刷装置などの出力装置22に情報を出力し、この出力装置にて所定の出力が行われる。   The design apparatus 10 includes an input / output unit 16 that exchanges information with the outside. The input / output unit 16 can acquire the finite element model 18 created outside. Further, the finite element model 18 can be created in the design apparatus 10 by storing a program for creating a finite element model in the program storage unit 14. As will be described later, the finite element model 18 is a model created with a beam element or with a beam element and a rigid disk element. The input / output unit 16 receives an operation input from the operator 20, for example, an input of design conditions, an operation instruction of the design apparatus 10, and the like. Further, information is output from the input / output unit 16 to an output device 22 such as a display device or a printing device, and predetermined output is performed by the output device.

演算処理部24は、感度係数算出部26、モデル変更部28、モデル評価部30、危険速度演算部32、強制振動演算部34、軸受荷重演算部36として機能する。これらの機能については、後述する。   The calculation processing unit 24 functions as a sensitivity coefficient calculation unit 26, a model change unit 28, a model evaluation unit 30, a dangerous speed calculation unit 32, a forced vibration calculation unit 34, and a bearing load calculation unit 36. These functions will be described later.

さらに、設計装置10には、操作者が入力するなどして入力された、設計項目に関する条件を格納する設計条件格納部38が設けられる。設計項目は、例えば、危険速度、強制振動、軸受荷重など、回転構造体を設計する上で、制約となる項目である。それぞれについて、設計上許容される範囲、すなわち設計条件が、個々の回転構造体を設計する際に定められ、この条件を満足すべく、有限要素モデルの適合化が実行される。また、設計装置10は、感度係数格納部40を備える。感度係数は、有限要素モデルの設計変数を変更した場合に、設計項目がどの程度変化するかを示している。特に、本実施形態においては、有限要素モデルの設計変数の変更があっても、解析的に求められた感度係数の算出式に、新たに設計変数を代入することで、新たな感度係数が求められる。さらに、設計装置10には、有限要素モデルを格納するモデル格納部42を有する。   Furthermore, the design apparatus 10 is provided with a design condition storage unit 38 that stores conditions relating to design items that are input by an operator. The design item is an item that becomes a constraint in designing the rotating structure, such as dangerous speed, forced vibration, and bearing load. For each, a design-acceptable range, that is, a design condition, is determined when designing each rotating structure, and a finite element model is adapted to satisfy this condition. In addition, the design apparatus 10 includes a sensitivity coefficient storage unit 40. The sensitivity coefficient indicates how much the design item changes when the design variable of the finite element model is changed. In particular, in the present embodiment, even if there is a change in the design variable of the finite element model, a new sensitivity coefficient can be obtained by substituting a new design variable into the analytical formula for the sensitivity coefficient obtained analytically. It is done. Furthermore, the design apparatus 10 includes a model storage unit 42 that stores a finite element model.

感度係数算出部26による感度係数の算出は、以下のように行われる。感度係数は、有限要素モデルとモデルに加わる力とから回転構造体の運動方程式を導き、この運動方程式の各項の係数行列である特性行列の、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数(特性行列感度係数)を求め、さらに所定の性能項目の、設計変数に対する感度係数を、前記特性行列の感度係数を用いて算出することができる。この感度係数の算出は、有限要素モデルがはり要素にて作成されたものであるため解析的に求められ、設計変数を含む式として表される。したがって、ある設計変数が与えられた場合、その数値を式に代入することで、その設計変数に対する感度係数を算出することができる。   Calculation of the sensitivity coefficient by the sensitivity coefficient calculation unit 26 is performed as follows. The sensitivity coefficient derives the equation of motion of the rotating structure from the finite element model and the force applied to the model, and the sensitivity coefficient (characteristic matrix) of the characteristic matrix that is the coefficient matrix of each term of this equation of motion to the design variable of the finite element model Sensitivity coefficient) for a predetermined performance item and a design variable for the design variable can be calculated using the sensitivity coefficient of the characteristic matrix. The calculation of the sensitivity coefficient is analytically obtained because the finite element model is created by the beam element, and is expressed as an expression including design variables. Therefore, when a certain design variable is given, the sensitivity coefficient for the design variable can be calculated by substituting the numerical value into the equation.

モデル変更部28は、有限要素モデルを、モデル評価部30による評価と、感度係数に基づき変更する。具体的には、現在の有限要素モデルが設計条件を満足できなかった場合、有限要素モデルを構成する個々のはり要素または剛体円板要素の設計変数、例えば、はり要素の長さや直径を変更して、新たな有限要素モデルを作成する。このときの設計変数の変更は、感度係数を参照し、条件が満足されなかった設計項目について、設計条件が満足される方向に行われる。   The model change unit 28 changes the finite element model based on the evaluation by the model evaluation unit 30 and the sensitivity coefficient. Specifically, if the current finite element model fails to satisfy the design conditions, the design variables of the individual beam elements or rigid disk elements that make up the finite element model, such as the length and diameter of the beam element, are changed. To create a new finite element model. The design variable is changed at this time in a direction in which the design condition is satisfied for a design item for which the condition is not satisfied with reference to the sensitivity coefficient.

モデル評価部30は、有限要素モデルを用いて各設計項目の条件を満足するかを評価する。この実施形態では、モデル評価部30は、危険速度演算部32により算出された危険速度、強制振動演算部34により算出された強制振動振幅、軸受荷重演算部36で算出された軸受荷重が、所定の条件を満足するか判断し、満足しない判断項目があれば、その項目に関する改善を行うようにモデル変更部28に指示を行う。危険速度演算部32は、周知の運動方程式の固有値問題の解法により危険速度の算出を行う。また、強制振動演算部34および軸受荷重演算部36は、周知の運動方程式の強制振動解の解法により、振幅、軸受荷重を算出する。   The model evaluation unit 30 evaluates whether the conditions of each design item are satisfied using a finite element model. In this embodiment, the model evaluation unit 30 is configured such that the critical speed calculated by the critical speed calculation unit 32, the forced vibration amplitude calculated by the forced vibration calculation unit 34, and the bearing load calculated by the bearing load calculation unit 36 are predetermined. If there is an unsatisfied determination item, the model changing unit 28 is instructed to improve the item. The critical speed calculator 32 calculates the critical speed by solving a known eigenvalue problem of the equation of motion. In addition, the forced vibration calculation unit 34 and the bearing load calculation unit 36 calculate the amplitude and the bearing load by a known solution method of the forced vibration solution of the equation of motion.

図2は、本実施形態の回転構造体の設計方法の流れを示すチャートである。まず、設計目標、すなわち設計項目に関する条件の設定が操作者によって行われる(S100)。次に、有限要素モデルを別途作成した場合には、これの読み込みが行われる(S102)。この有限要素モデルと、モデルに加わる力により運動方程式を決定する(S104)。この運動方程式から危険速度および強制振動応答の計算を行い(S106,S108)、これらの解が、設計目標の危険速度、強制振動の振幅および軸受荷重に係る設計目標を満足しているか判断する(S110)。設計目標が満足されていれば、用いた有限要素モデルを設計されたモデルとして確定する。   FIG. 2 is a chart showing the flow of the design method of the rotating structure according to the present embodiment. First, a design target, that is, a condition regarding a design item is set by an operator (S100). Next, when a finite element model is separately created, it is read (S102). The equation of motion is determined by the finite element model and the force applied to the model (S104). The critical speed and forced vibration response are calculated from this equation of motion (S106, S108), and it is determined whether these solutions satisfy the design target related to the critical speed of the design target, the amplitude of the forced vibration, and the bearing load ( S110). If the design goal is satisfied, the finite element model used is determined as the designed model.

また、ステップS110で設計目標が満足されていなければ、各設計項目の感度係数を計算し(S114)、この感度係数を用いて最適化計画法により(S116)、設計変数の変更(更新)を行う(S118)。   If the design target is not satisfied in step S110, the sensitivity coefficient of each design item is calculated (S114), and the design variable is changed (updated) by the optimization planning method using this sensitivity coefficient (S116). It performs (S118).

以下、具体的な例を挙げて本実施形態の回転構造体の設計について説明する。   Hereinafter, the design of the rotating structure according to the present embodiment will be described with a specific example.

<有限要素モデル>
図3は、線形のばね要素と減衰要素で構成される支持要素52で支持された中心軸回りに回転対称な回転構造体50を模式的に表した図である。支持要素52は、すべり軸受または転がり軸受を想定したものである。支持要素52で支持され、いくつかの直径の異なる部分を有する弾性軸54に、二つの剛体円板56,58が固定され、この回転構造体50が一定速度ωで回転する系を想定する。回転構造体に作用する強制力Fi(i=1〜4)を剛体円板56,58のそれぞれの左右に作用させる。
<Finite element model>
FIG. 3 is a diagram schematically showing a rotational structure 50 rotationally symmetric about a central axis supported by a support element 52 composed of a linear spring element and a damping element. The support element 52 is assumed to be a plain bearing or a rolling bearing. Assume a system in which two rigid disks 56 and 58 are fixed to an elastic shaft 54 supported by a support element 52 and having several parts with different diameters, and the rotating structure 50 rotates at a constant speed ω. A forcing force Fi (i = 1 to 4) acting on the rotating structure is applied to the left and right of the rigid disks 56 and 58, respectively.

図4は、図3の回転構造体50およびその支持要素52の有限要素モデル60を示す図である。回転構造体50は、z方向に要素分割される。図示される例においては、図中丸付き数字で示される12個の要素に分割される。要素の節点は、軸の断面が変化する部分、剛体円板の重心位置、ばね・減衰要素の支持点、不釣合い重量などの強制力の作用点に採る。図において節点は括弧付きの数字で表されている。(5)(8)(9)(12)以外の節点は、軸断面が変化する部分の節点であり、節点(5)は剛体円板56の重心位置、節点(8)(9)は支持要素52による支持点である。節点(3)(6)(11)(13)は軸断面の変化する点であると同時に強制力Fの作用点でもある。節点(12)は、剛体円板58の重心位置である。   FIG. 4 is a diagram showing a finite element model 60 of the rotating structure 50 and the supporting element 52 of FIG. The rotating structure 50 is divided into elements in the z direction. In the example shown in the figure, it is divided into 12 elements indicated by circled numbers in the figure. The nodal point of the element is taken as the point of action of the forcing force such as the portion where the cross section of the shaft changes, the position of the center of gravity of the rigid disk, the support point of the spring / damping element, and the unbalanced weight. In the figure, the nodes are represented by numbers in parentheses. The nodes other than (5), (8), (9), and (12) are the nodes where the axial section changes, the node (5) is the center of gravity of the rigid disk 56, and the nodes (8) and (9) are supported. A support point by element 52. The nodes (3), (6), (11), and (13) are not only the point at which the axial cross section changes, but also the point of application of the forcing force F. The node (12) is the position of the center of gravity of the rigid disk 58.

この回転構造体50は、ターボチャージャのコンプレッサ、タービンおよびこれらのシャフトをモデル化した例であり、剛体円板56,58がコンプレッサおよびタービンのインペラに対応し、弾性軸54がシャフトに対応している。図示する例においては、弾性軸54は直径の異なる12の部分からなるが、この部分の数は、適宜変更することができる。また、剛体円板の数、弾性軸54に対する取り付け位置についても、適宜変更することができる。さらに、剛体円板のない、弾性軸のみにより構成される回転構造体を取り扱うことも可能である。   The rotating structure 50 is an example of modeling a turbocharger compressor, turbine, and shafts thereof. The rigid disks 56 and 58 correspond to the compressor and turbine impellers, and the elastic shaft 54 corresponds to the shaft. Yes. In the illustrated example, the elastic shaft 54 includes twelve portions having different diameters, but the number of these portions can be changed as appropriate. Further, the number of rigid disks and the attachment position with respect to the elastic shaft 54 can be changed as appropriate. Furthermore, it is also possible to handle a rotating structure composed of only an elastic shaft without a rigid disk.

解析要素は、弾性軸部分を表現するはり要素、剛体円板を表す剛体要素(集中慣性要素)、線形ばね・減衰要素の3種類である。図5は、はり要素の構成を示す図である。図示されるはり要素は、内側軸62と外側軸64で構成される。lははり要素の長さ、d1,d2は内側軸62、外側軸64の外径、E1,E2は内側軸62、外側軸64の縦弾性係数、G1,G2は内側軸62、外側軸64の横弾性係数、ρ1,ρ2は内側軸62、外側軸64の密度を表す。図示したはり要素は、内外軸の二重の軸であるが、必要に応じて一重の、すなわち均質な丸棒様のはり要素を用いることもできる。 There are three types of analysis elements: a beam element representing an elastic shaft portion, a rigid element representing a rigid disk (concentrated inertia element), and a linear spring / damping element. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the beam elements. The illustrated beam element is composed of an inner shaft 62 and an outer shaft 64. l is the length of the beam element, d 1 and d 2 are the outer diameters of the inner shaft 62 and the outer shaft 64, E 1 and E 2 are the longitudinal elastic modulus of the inner shaft 62 and the outer shaft 64, and G 1 and G 2 are the inner diameters Transverse elastic coefficients of the shaft 62 and the outer shaft 64, ρ 1 and ρ 2 represent the densities of the inner shaft 62 and the outer shaft 64, respectively. The beam element shown in the figure is a double shaft of inner and outer shafts, but a single, that is, a uniform round bar-like beam element may be used if necessary.

<運動方程式>
次に、有限要素モデル60の運動方程式を求める。図4において、x,y方向の振れ回り振動を考え、有限要素法によりその運動方程式を導く。この振れ回り振動には、回転構造体の剛体振動と曲げ振動が含まれる。運動方程式の定式化については、山本敏夫、石田幸男著、回転機械の力学、コロナ社を参照できる。以下、その概略を示す。
<Equation of motion>
Next, the equation of motion of the finite element model 60 is obtained. In FIG. 4, considering the vibration in the x and y directions, the equation of motion is derived by the finite element method. This whirling vibration includes rigid body vibration and bending vibration of the rotating structure. For the formulation of the equation of motion, see Toshio Yamamoto and Yukio Ishida, dynamics of rotating machinery, Corona. The outline is shown below.

−はり要素の特性行列−
図6に、はり要素の両端における接点変位を示す。u,vは、x,y方向の並進変位、θx,θyは、x,y軸周りの回転変位(たわみ角)を表す。はり要素の接点変位ベクトルqe sを式(1)のように定義する。ここでi,jは、はり要素の両端を示す。
-Beam element characteristic matrix-
FIG. 6 shows contact displacement at both ends of the beam element. u and v represent translational displacements in the x and y directions, and θx and θy represent rotational displacements (deflection angles) around the x and y axes. A contact displacement vector q e s of the beam element is defined as shown in Equation (1). Here, i and j indicate both ends of the beam element.

Figure 2008129726
Figure 2008129726

要素質量行列Mbは、式(2),(3)となる。

Figure 2008129726
式(3)に用いられるSym.は、この部分の行列の各要素が、行列の左下半分の各要素を左上から右下に延びる対角線で対象に配置したものであることを示す。以下同様である。 The element mass matrix M b is expressed by equations (2) and (3).
Figure 2008129726
Sym. Used in Equation (3). Indicates that each element of this part of the matrix is the lower left half of the matrix arranged on the target by a diagonal line extending from upper left to lower right. The same applies hereinafter.

要素ジャイロ行列Gbは、式(4),(5)となる。

Figure 2008129726
式(5)に用いられるSkew−sym.は、この部分の行列の各要素が、行列の左下半分の各要素について符号を逆転し、これらを左上から右下に延びる対角線で対象に配置したものであることを示す。以下同様である。 The element gyro matrix G b is expressed by equations (4) and (5).
Figure 2008129726
Skew-sym. Used in equation (5). Indicates that the elements of this part of the matrix are those in which the signs of the elements in the lower left half of the matrix are reversed and these are arranged on the object with diagonal lines extending from the upper left to the lower right. The same applies hereinafter.

さらに要素剛性行列Kbは、式(6),(7)となる。

Figure 2008129726
Further, the element stiffness matrix K b is expressed by equations (6) and (7).
Figure 2008129726

−剛体要素の特性行列−
剛体要素の質量は、その重心位置に集中させる。重心位置の節点をiとし、図6での定義に従って、剛体要素の節点変位ベクトルqe dを式(8)で表す。
-Rigid element characteristic matrix-
The mass of the rigid element is concentrated at the position of the center of gravity. Nodal center of gravity and i, as defined in Figure 6, representing the nodal displacement vector q e d in rigid element in equation (8).

Figure 2008129726
Figure 2008129726

要素質量行列Mdは、式(9),(10)となる。Miは剛体要素の質量、Idiは剛体要素のx軸回り(あるいはy軸回りの)慣性モーメント、Ipiは剛体要素のz軸回りの慣性モーメントである。なお、回転体では、対称性により、通常x軸回りの慣性モーメントとy軸回りの慣性モーメントとは等しくなる。

Figure 2008129726
The element mass matrix M d is expressed by equations (9) and (10). Mi is the mass of the rigid element, Idi is the moment of inertia around the x-axis (or around the y-axis) of the rigid element, and Ipi is the moment of inertia around the z-axis of the rigid element. In the rotating body, due to the symmetry, the moment of inertia around the x axis is usually equal to the moment of inertia around the y axis.
Figure 2008129726

−ばね・減衰要素の特性行列−
ばね・減衰要素の支持反力は、ある一つの節点に集中して作用するとする。ここでは、並進方向のばね・減衰定数のみを考え、回転成分は考慮しない。ただし、x方向とy方向の連成成分は考慮する。ばね・減衰要素の接点変位ベクトルqe sdを式(11)で表す。
-Spring / damping element characteristic matrix-
It is assumed that the support reaction force of the spring / damping element is concentrated on one node. Here, only the spring / damping constant in the translation direction is considered, and the rotational component is not considered. However, a coupled component in the x direction and the y direction is considered. The contact displacement vector q e sd of the spring / damping element is expressed by Expression (11).

Figure 2008129726
Figure 2008129726

要素剛性行列Ksd、要素減衰行列Csdは式(12),(13)のように表される。

Figure 2008129726
The element stiffness matrix K sd and the element attenuation matrix C sd are expressed as in Expressions (12) and (13).
Figure 2008129726

Kxx,Kyyはx,y方向の並進ばね定数、Kxy,Kyxはx方向とy方向の連成ばね定数を表す。Kθxθx,Kθyθyはx,y軸回りの回転ばね定数、Kθxθy,Kθyθxはx軸回りとy軸回りの連成ばね定数を表す。Cxx,Cyyはx,y方向の並進減衰定数、Cxy,Cyxはx方向とy方向の連成減衰定数を表す。Cθxθx,Cθyθyはx,y軸回りの回転減衰定数、Cθxθy,Cθyθxはx軸回りとy軸回りの連成減衰定数を表す。   Kxx and Kyy represent translational spring constants in the x and y directions, and Kxy and Kyx represent coupled spring constants in the x and y directions. Kθxθx and Kθyθy represent rotational spring constants about the x and y axes, and Kθxθy and Kθyθx represent coupled spring constants about the x and y axes. Cxx and Cyy represent translational damping constants in the x and y directions, and Cxy and Cyx represent coupled damping constants in the x and y directions. Cθxθx and Cθyθy represent rotational damping constants about the x and y axes, and Cθxθy and Cθyθx represent coupled damping constants about the x and y axes.

−不釣合い強制力−
多くの場合、回転構造体の振れ回り振動は、不釣合いによって励起されるので、ここでは、回転構造体の不釣合い強制力を定式化する。節点iの不釣合いの大きさをUi、位相角をαiとすると、節点iにおける強制力ベクトルは、次式(14)で表される。
-Unbalance force-
In many cases, since the whirling vibration of the rotating structure is excited by unbalance, the unbalance forcing force of the rotating structure is formulated here. If the magnitude of unbalance of the node i is Ui and the phase angle is αi, the forcing vector at the node i is expressed by the following equation (14).

Figure 2008129726
tは時間、jは虚数単位を表す。他の任意の周期外力を扱う場合も、このような調和関数を重ね合わせることで定式化が可能である。
Figure 2008129726
t represents time and j represents an imaginary unit. In the case of handling other arbitrary periodic force, it can be formulated by superposing such harmonic functions.

−全系の運動方程式−
前記の要素特性行列と強制力ベクトルを全要素について組み上げることにより、全系の運動方程式(15)を得る。qは全節点の変位ベクトル、Fは強制力ベクトルを表す。M,G,C,Kは、全系の質量行列、ジャイロ行列、減衰行列、剛性行列で、式(16)のように各要素行列の和で表される。
-Equation of motion of the whole system-
The equation of motion (15) of the entire system is obtained by assembling the element characteristic matrix and the force vector for all elements. q represents a displacement vector of all nodes, and F represents a force vector. M, G, C, and K are a mass matrix, a gyro matrix, an attenuation matrix, and a stiffness matrix of the entire system, and are represented by the sum of each element matrix as in Expression (16).

Figure 2008129726
Figure 2008129726

<感度解析>
−特性行列の感度係数−
運動方程式の各要素特性行列に対する感度係数を定式化する。ここでは、図5に示した弾性はり要素の寸法諸元(d1,d2,l)に対する感度係数について示す。剛体要素の慣性値(Mi,Idi,Ipi)、軸受のばね減衰定数、強制力の各成分についての感度係数は前述の特性行列の定義式(9),(10),(12),(13)から自明であるので、説明は省略する。
<Sensitivity analysis>
-Sensitivity coefficient of characteristic matrix-
Formulate the sensitivity coefficient for each element characteristic matrix of the equation of motion. Here, the sensitivity coefficient with respect to the dimensions (d 1 , d 2 , l) of the elastic beam element shown in FIG. 5 is shown. Sensitivity coefficients for the rigid element inertia values (Mi, Idi, Ipi), bearing spring damping constants, and forcing components are defined by the characteristic matrix definition equations (9), (10), (12), (13 ), The description will be omitted.

はり要素の質量行列Mbに対する感度係数は、次の式(17)−(20)となる。すなわち、設計変数d1に対する感度係数が式(17),設計変数d2に対する感度係数が式(18)、設計変数lに対する感度係数が式(19)となる。

Figure 2008129726
The sensitivity coefficient of the beam element with respect to the mass matrix M b is expressed by the following equations (17) to (20). That is, the sensitivity coefficient with respect to the design variable d 1 is represented by Expression (17), the sensitivity coefficient with respect to the design variable d 2 is represented by Expression (18), and the sensitivity coefficient with respect to the design variable l is represented by Expression (19).
Figure 2008129726

はり要素のジャイロ行列Gbに対する感度係数は、次の式(21)−(24)となる。

Figure 2008129726
Sensitivity coefficient for gyro matrix G b of the beam element, the following equation (21) - a (24).
Figure 2008129726

はり要素の剛性行列Kbに対する感度係数は、次の式(25)−(28)となる。

Figure 2008129726
The sensitivity coefficient for the stiffness matrix K b of the beam element is expressed by the following equations (25)-(28).
Figure 2008129726

式(14)に示した不釣合い強制力の感度係数は、次の式(29),(30)となる。ここでは、各節点の不釣合いの大きさUiと、位相角αiを設計変数とする。

Figure 2008129726
The sensitivity coefficient of the unbalance forcing force shown in the equation (14) is expressed by the following equations (29) and (30). Here, the unbalanced magnitude Ui of each node and the phase angle αi are set as design variables.
Figure 2008129726

全系の質量行列M、ジャイロ行列G、減衰行列C、剛性行列Kの感度係数は、個々の要素特定行列の感度係数を全要素について組み上げることにより次の式(31)となる。ここで、sは設計変数を表す。

Figure 2008129726
The sensitivity coefficients of the mass matrix M, the gyro matrix G, the attenuation matrix C, and the stiffness matrix K of the entire system are expressed by the following formula (31) by assembling the sensitivity coefficients of the individual element specifying matrices for all elements. Here, s represents a design variable.
Figure 2008129726

また、剛体要素の要素質量行列Mdは、定義より式(9)から次式(31−1),(31−2)となる。要素ジャイロ行列Gd、ばね・減衰要素の要素剛性行列Ksd、要素減衰行列Csdも定義式(10),(12),(13)より同様に導かれる。

Figure 2008129726
Further, the element mass matrix M d of the rigid body element is represented by the following expressions (31-1) and (31-2) from Expression (9) by definition. The element gyro matrix G d , the element stiffness matrix K sd of the spring / damping element, and the element damping matrix C sd are similarly derived from the definition expressions (10), (12), and (13).
Figure 2008129726

−危険速度の感度係数−
不釣合い強制振動の危険速度(共振速度)を考える。不釣合い振動の危険速度は、固定の固有振動数と一致する回転速度である。危険速度を計算するため、自由振動の運動方程式(32)において、自由振動解である式(33)を代入すると、式(34)を得る。

Figure 2008129726
式(34)において、pは固有振動数、φは固有ベクトルを表す。 −Dangerous speed sensitivity coefficient−
Consider the critical speed (resonance speed) of unbalanced forced vibration. The critical speed of unbalanced vibration is the rotational speed that matches the fixed natural frequency. In order to calculate the critical speed, substituting equation (33), which is a free vibration solution, into equation of motion (32) of free vibration, equation (34) is obtained.
Figure 2008129726
In Expression (34), p represents the natural frequency, and φ represents the eigenvector.

ここで危険速度の条件p=ωを考慮するとω2とφに関する式(35)に示す固有値問題を得る。

Figure 2008129726
M,Kは対称行列、Gは歪対称行列なので、式(35)は、エルミート行列の固有値問題となる。したがって、得られる固有値ω2が正であれば、ωは実数となり、危険速度が実在することとなる。 Here, when the critical speed condition p = ω is considered, the eigenvalue problem shown in the equation (35) regarding ω 2 and φ is obtained.
Figure 2008129726
Since M and K are symmetric matrices and G is a distortion symmetric matrix, Equation (35) is an eigenvalue problem of Hermitian matrix. Therefore, if the obtained eigenvalue ω 2 is positive, ω is a real number, and a dangerous speed exists.

r次の危険速度をωrとすると、ωrは式(36)を満足する。

Figure 2008129726
φrは危険速度における固有ベクトルである。固有ベクトルの大きさは任意であるので、ここでは、式(37)の正規条件を定める。記号*は、共役転置を表す。
Figure 2008129726
Assuming that the r-th critical speed is ωr, ωr satisfies Expression (36).
Figure 2008129726
φr is the eigenvector at the critical speed. Since the size of the eigenvector is arbitrary, the normal condition of Expression (37) is defined here. The symbol * represents a conjugate transpose.
Figure 2008129726

式(36)を設計変数sで微分すると、式(38)を得、また式(36)の両辺の共役転置をとると式(39)を得る。

Figure 2008129726
Differentiating equation (36) by design variable s yields equation (38), and taking conjugate transpose of both sides of equation (36) yields equation (39).
Figure 2008129726

式(38)の両辺の左からφr*を掛けて、式(37)と式(39)を考慮すると、危険速度ωrに関する感度係数は、式(40)となる。

Figure 2008129726
Multiplying φr * from the left of both sides of Equation (38) and considering Equation (37) and Equation (39), the sensitivity coefficient for the critical speed ωr is Equation (40).
Figure 2008129726

−振動振幅の感度係数−
不釣合い強制振動の運動方程式(15)の解を式(41)として運動方程式に代入すると式(42)を得る。

Figure 2008129726
-Sensitivity coefficient of vibration amplitude-
Substituting the solution of the unbalanced forced vibration equation of motion (15) into the equation of motion as equation (41) yields equation (42).
Figure 2008129726

よって、回転速度ωにおける強制振動の振幅は、式(43)となる。

Figure 2008129726
Therefore, the amplitude of the forced vibration at the rotational speed ω is expressed by Equation (43).
Figure 2008129726

式(42)を設計変数sで微分すると式(44)となる。

Figure 2008129726
When the equation (42) is differentiated by the design variable s, the equation (44) is obtained.
Figure 2008129726

よって、強制振動振幅Qの感度係数は式(45),(46)となる。

Figure 2008129726
Therefore, the sensitivity coefficient of the forced vibration amplitude Q is expressed by equations (45) and (46).
Figure 2008129726

なお、危険速度ωrにおける強制振幅の感度係数を考える場合は、ωrも設計変数sの関数となるので、式(46)に代えて式(47)となる。

Figure 2008129726
When the sensitivity coefficient of the forced amplitude at the critical speed ωr is considered, ωr is also a function of the design variable s, and therefore, the equation (47) is substituted for the equation (46).
Figure 2008129726

−軸受荷重の感度係数−
回転体の不釣合い振動によって、回転体を支持する軸受(ばね・減衰要素)には荷重が発生する。軸受節点iのx方向に発生する軸受荷重Fixは、次の式(48)で表される。

Figure 2008129726
−Bearing load sensitivity coefficient−
Due to the unbalanced vibration of the rotating body, a load is generated in the bearing (spring / damping element) that supports the rotating body. The bearing load Fix generated in the x direction of the bearing node i is expressed by the following equation (48).
Figure 2008129726

任意の回転速度ωにおける軸受荷重の感度係数は式(49)となり、また危険速度ωrにおける軸受荷重の感度係数は式(50)となる。

Figure 2008129726
The sensitivity coefficient of the bearing load at an arbitrary rotational speed ω is given by equation (49), and the sensitivity coefficient of the bearing load at the critical speed ωr is given by equation (50).
Figure 2008129726

−感度係数のまとめ−
危険速度、振動振幅、軸受荷重などの設計項目の感度係数は、式(40)、式(45)−(47)、式(50)に示されるように、質量行列M、ジャイロ行列G、減衰行列C、剛性行列Kおよびこれらの感度係数、さらに不釣合い強制力の感度係数にて表される。特性行列は、例えば式(2),(4),(6)などに示されるように解析的に求められ、直径d1,d2などの設計変数に具体的な数値を代入することにより、具体的な数値として求めることができる。したがって、感度係数についても、具体的な有限要素モデルに関して数値として求めることが容易にできる。これは、軸をはり要素でモデル化したことによる。
−Summary of sensitivity coefficient−
Sensitivity coefficients of design items such as critical speed, vibration amplitude, and bearing load are mass matrix M, gyro matrix G, damping, as shown in equations (40), (45)-(47), and (50). It is expressed by a matrix C, a stiffness matrix K, and sensitivity coefficients thereof, and further a sensitivity coefficient of unbalance forcing force. The characteristic matrix is analytically obtained, for example, as shown in equations (2), (4), (6), and the like, and by substituting specific numerical values for design variables such as diameters d 1 and d 2 , It can be obtained as a specific numerical value. Therefore, the sensitivity coefficient can be easily obtained as a numerical value regarding a specific finite element model. This is because the axis is modeled by a beam element.

設計変数に対する、設計項目の感度係数が解析的に求められていれば、すなわち設計変数を変数とした式で表されていれば、この式に具体的な設計変数を代入することで、感度係数を求めることができる。そして、設計項目について設計条件を満足するために、設計変数の値を大きくすれば良いのか、小さくすれば良いのかも、感度係数の符号をみることでわかる。設計条件を満足していない場合には、その設計項目について設計変数の値を感度係数に従って増やすか、減らすかして、新たな有限要素モデルを作成する。これにより、初期モデルを設定すれば、モデルの変更は、操作者の指示によらず、設計装置により実行することが可能となり、操作者の手間が省略できる。   If the sensitivity coefficient of the design item for the design variable is analytically determined, that is, if it is expressed by an expression using the design variable as a variable, the sensitivity coefficient can be obtained by substituting a specific design variable into this expression. Can be requested. Whether the design variable value should be increased or decreased in order to satisfy the design condition for the design item can be determined by looking at the sign of the sensitivity coefficient. If the design condition is not satisfied, a new finite element model is created by increasing or decreasing the value of the design variable according to the sensitivity coefficient for the design item. Thus, if an initial model is set, the model can be changed by the design device without depending on the operator's instruction, and the labor of the operator can be omitted.

図7のモデルについて、最適化計画法として感度係数を用いた逐次線形計画法を用いて不釣合い強制振動の最適化問題を解く。図7では、回転構造体は、はり要素で構成し、二つの軸受52-1,52-2(ばね・減衰要素)で支持する。強制力となる不釣り合いは、節点U3,U8,U17,U22の4カ所に設定する。設計変数は、図7において網掛けを施した部分のはり要素の直径および軸長さl1,l2とする。   For the model of FIG. 7, the optimization problem of unbalanced forced vibration is solved using sequential linear programming using a sensitivity coefficient as the optimization programming. In FIG. 7, the rotating structure is composed of beam elements and is supported by two bearings 52-1, 52-2 (spring / damping elements). The unbalance which becomes the forcible force is set at four points of nodes U3, U8, U17 and U22. The design variables are the diameter and axial length l1, l2 of the beam element of the shaded portion in FIG.

図8,9に初期諸元における不釣合い強制振動の振幅(節点番号1)と軸受荷重を示す。図8の曲線Fx1は軸受52-1の荷重、曲線Fx2は軸受52-2の荷重を示す。の回転機械の常用回転速度を3750Hzとする。初期諸元では、常用回転速度付近に曲げ2次モードの危険速度があることがわかる。   8 and 9 show the unbalanced forced vibration amplitude (node number 1) and bearing load in the initial specifications. The curve Fx1 in FIG. 8 indicates the load on the bearing 52-1, and the curve Fx2 indicates the load on the bearing 52-2. The normal rotation speed of the rotating machine is set to 3750 Hz. In the initial specifications, it can be seen that there is a critical speed in the bending secondary mode near the normal rotational speed.

図8,9に示される曲げ2次モードの危険速度ω2を常用回転速度よりも高速側に移動し、かつ曲げ1次モードの危険速度における振動振幅u1(ω1)をある値以下にする拘束条件の下で、回転構造体を軽量化する最適化問題を次式(51)のように設定する。   Constraint conditions for moving the critical speed ω2 of the bending secondary mode shown in FIGS. 8 and 9 to the higher speed side than the normal rotation speed and making the vibration amplitude u1 (ω1) at the critical speed of the bending primary mode below a certain value. The optimization problem for reducing the weight of the rotating structure is set as in the following equation (51).

Figure 2008129726
Figure 2008129726

ここで、qは設計変数ベクトルを表す。この最適化問題を逐次線形計画法で解いた結果を図10−11に示す。図10(a)は初期モデルを示し、(b)は最適化後のモデルを示す。最適化後のモデルは、設計変数であるはり要素の軸長さl1,l2はそれぞれ5mm短縮されている。図11は、初期モデルの振動変位Aと、最適化モデルの振動変位Bを示す図である。曲げ1次モードの危険速度ω1のときの最大振幅が条件値(0.38)以下となり、また曲げ2次モードの危険速度が条件値(3900Hz)以上となっていることが理解できる。   Here, q represents a design variable vector. The results of solving this optimization problem by sequential linear programming are shown in FIGS. FIG. 10A shows the initial model, and FIG. 10B shows the model after optimization. In the model after optimization, the axial lengths l1 and l2 of the beam elements, which are design variables, are each shortened by 5 mm. FIG. 11 is a diagram illustrating the vibration displacement A of the initial model and the vibration displacement B of the optimization model. It can be understood that the maximum amplitude at the critical speed ω1 in the bending primary mode is equal to or less than the condition value (0.38), and the critical speed in the bending secondary mode is equal to or greater than the condition value (3900 Hz).

また、常用回転速度の軸受荷重をある値以下に低減する拘束条件のもとで、回転構造体を軽量化する最適化問題を次式(52)のように設定する。   Further, an optimization problem for reducing the weight of the rotating structure is set as shown in the following equation (52) under the constraint condition that the bearing load at the normal rotational speed is reduced to a certain value or less.

Figure 2008129726
Figure 2008129726

図12に初期状態と最適化後の軸受荷重を示す。(a)が軸受52-1、(b)が軸受52-2の軸受荷重を示し、曲線Aが初期モデル、曲線Bが最適化モデルを示す。   FIG. 12 shows the initial state and the optimized bearing load. (A) shows the bearing load of the bearing 52-1, (b) shows the bearing load of the bearing 52-2, the curve A shows the initial model, and the curve B shows the optimization model.

本実施形態の回転構造体の設計装置を含む設計システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the design system containing the design apparatus of the rotating structure of this embodiment. 本実施形態の回転構造体の設計の流れを示すチャートである。It is a chart which shows the flow of design of the rotation structure of this embodiment. 回転構造体の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a rotation structure. 回転構造体の有限要素モデルを示す図である。It is a figure which shows the finite element model of a rotating structure. はり要素を示す図である。It is a figure which shows a beam element. はり要素の変位の説明図である。It is explanatory drawing of the displacement of a beam element. 有限要素モデル(初期モデル)を示す図である。It is a figure which shows a finite element model (initial model). 初期モデルの番号1の節点の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the node of the number 1 of an initial model. 初期モデルの軸受荷重を示す図である。It is a figure which shows the bearing load of an initial model. 初期モデルと、最適化モデルを示す図である。It is a figure which shows an initial model and an optimization model. 最適化による節点の変位の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the displacement of the node by optimization. 最適化による軸受荷重の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the bearing load by optimization.

符号の説明Explanation of symbols

10 回転構造体の設計装置、14 プログラム記憶部、24 演算処理部、26 感度係数算出部、28 モデル変更部、30 モデル評価部、32 危険速度演算部、34 強制振動演算部、36 軸受荷重演算部、38 設計条件格納部、40 感度係数格納部、42 モデル格納部、50 回転構造体、52 支持要素、54 弾性軸、56,58 剛体円板、60 有限要素モデル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Design apparatus of rotating structure, 14 Program storage part, 24 Calculation processing part, 26 Sensitivity coefficient calculation part, 28 Model change part, 30 Model evaluation part, 32 Critical speed calculation part, 34 Forced vibration calculation part, 36 Bearing load calculation 38, design condition storage unit, 40 sensitivity coefficient storage unit, 42 model storage unit, 50 rotating structure, 52 support element, 54 elastic shaft, 56, 58 rigid disk, 60 finite element model.

Claims (6)

中心軸の周りを回転する回転構造体を、所定の性能項目に関する条件を満たすように設計する設計装置であって、
回転構造体の中心軸と同軸の複数のはり要素にて、または複数のはり要素と少なくとも一つの剛体円板要素にて作成された回転構造体モデルと、これを支持する支持要素を含む有限要素モデルを取得する有限要素モデル取得手段と、
前記所定の性能項目の、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数を解析的に算出する感度係数算出手段と、
感度係数を用いた最適化計画法により、前記所定の性能項目に関する条件を満たすよう有限要素モデルを変更し、適合モデルを算出する適合モデル算出手段と、
を有する、回転構造体の設計装置。
A design device for designing a rotating structure that rotates around a central axis so as to satisfy a condition regarding a predetermined performance item,
A finite element including a rotating structure model created by a plurality of beam elements coaxial with the central axis of the rotating structure, or a plurality of beam elements and at least one rigid disk element, and a supporting element for supporting the rotating structure model A finite element model acquisition means for acquiring a model;
Sensitivity coefficient calculation means for analytically calculating a sensitivity coefficient for the design variable of the finite element model of the predetermined performance item;
An adaptation model calculation means for changing the finite element model so as to satisfy the condition regarding the predetermined performance item by an optimization programming method using a sensitivity coefficient, and calculating an adaptation model;
An apparatus for designing a rotating structure.
請求項1に記載の回転構造体の設計装置であって、
前記感度係数算出手段は、
有限要素モデルと回転構造体に加わる力とから回転構造体の運動方程式を導出する運動方程式導出手段と、
運動方程式の各項の係数行列である特性行列の、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数を解析的に算出する特性行列感度係数算出手段と、
前記所定の性能項目の、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数を、前記特性行列の感度係数を用いて算出する性能項目感度係数算出手段と、
を有する、
回転構造体の設計装置。
The rotating structure design apparatus according to claim 1,
The sensitivity coefficient calculation means includes
A motion equation deriving means for deriving a motion equation of the rotating structure from the finite element model and the force applied to the rotating structure;
A characteristic matrix sensitivity coefficient calculating means for analytically calculating a sensitivity coefficient for a design variable of a finite element model of a characteristic matrix that is a coefficient matrix of each term of the equation of motion;
A performance item sensitivity coefficient calculating means for calculating a sensitivity coefficient of the predetermined performance item with respect to a design variable of the finite element model using a sensitivity coefficient of the characteristic matrix;
Having
Design device for rotating structures.
請求項2に記載の回転構造体の設計装置であって、
前記所定の性能項目は、危険速度と振動振幅を含み、
前記適合モデル算出手段は、
前記運動方程式から危険速度を算出する危険速度算出手段と、
前記運動方程式から強制振動時の振動振幅を算出する振動振幅算出手段と、
を有し、
危険速度と振動振幅の条件を満たすまで、有限要素モデルの変更を繰り返す、
回転構造体の設計装置。
It is a design apparatus of the rotation structure object according to claim 2,
The predetermined performance items include dangerous speed and vibration amplitude,
The adaptation model calculation means includes
A dangerous speed calculating means for calculating a dangerous speed from the equation of motion;
Vibration amplitude calculating means for calculating vibration amplitude at the time of forced vibration from the equation of motion;
Have
Repeat changes to the finite element model until the critical speed and vibration amplitude conditions are met,
Design device for rotating structures.
請求項3に記載の回転構造体の設計装置であって、
前記所定の性能項目は、回転構造体を支持する軸受の軸受荷重を含み、
前記適合モデル算出手段は、前記運動方程式から軸受荷重を算出する軸受荷重算出手段を有し、軸受荷重の条件を満たすまで、有限要素モデルの変更を繰り返す、
回転構造体の設計装置。
It is a design apparatus of the rotation structure object according to claim 3,
The predetermined performance item includes a bearing load of a bearing that supports the rotating structure,
The adaptive model calculation means has a bearing load calculation means for calculating a bearing load from the equation of motion, and repeats the change of the finite element model until the condition of the bearing load is satisfied.
Design device for rotating structures.
コンピュータを、請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転構造体の設計装置として動作させるための、コンピュータが読み取り可能なプログラム。   A computer-readable program for causing a computer to operate as the rotating structure design apparatus according to any one of claims 1 to 4. 中心軸の周りを回転する回転構造体を、所定の性能項目に関する条件を満たすように設計する設計方法であって、
回転構造体の中心軸と同軸の複数のはり要素にて、または複数のはり要素と少なくとも一つの剛体円板要素にて作成された回転構造体モデルと、これを支持する支持要素を含む有限要素モデルを作成するステップと、
前記所定の性能項目の、有限要素モデルの設計変数に対する感度係数を解析的に算出するステップと、
感度係数を用いた最適化計画法により、前記所定の性能項目に関する条件を満たすよう有限要素モデルを変更し、適合モデルを算出するステップと、
を有する、回転構造体の設計方法。
A design method for designing a rotating structure rotating around a central axis so as to satisfy a condition related to a predetermined performance item,
A finite element including a rotating structure model created by a plurality of beam elements coaxial with the central axis of the rotating structure, or a plurality of beam elements and at least one rigid disk element, and a supporting element for supporting the rotating structure model Creating a model,
Analytically calculating a sensitivity coefficient for the design variable of the finite element model of the predetermined performance item;
A step of changing a finite element model to satisfy a condition regarding the predetermined performance item by an optimization programming method using a sensitivity coefficient, and calculating a fitting model;
A method for designing a rotating structure.
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