JP2008129726A - Design device and design method for rotational structure - Google Patents
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Abstract
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
<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
−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.
要素質量行列Mbは、式(2),(3)となる。
要素ジャイロ行列Gbは、式(4),(5)となる。
さらに要素剛性行列Kbは、式(6),(7)となる。
−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).
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。
−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).
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。
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).
−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).
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
−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。
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.
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。
r次の危険速度をωrとすると、ωrは式(36)を満足する。
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。
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。
−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。
Substituting the solution of the unbalanced forced vibration equation of motion (15) into the equation of motion as equation (41) yields equation (42).
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。
式(42)を設計変数sで微分すると式(44)となる。
よって、強制振動振幅Qの感度係数は式(45),(46)となる。
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。
−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。
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).
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。
−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).
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.
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.
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
Claims (6)
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.
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.
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.
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.
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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2006
- 2006-11-17 JP JP2006312062A patent/JP2008129726A/en active Pending
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