PowerPoint プレゼンテーション

Ansys の回転機械解析について

アンシス・ジャパン株式会社 技術部 MBU

Ansys Mechanical の機能

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Ansys Mechanical

• Ansys が提供するハイエンドな構造解析アプリケーション

‐ 高性能・多機能

• 一般強度解析

 線形/非線形/熱/etc..

• 疲労解析

 高サイクル疲労/熱疲労/etc..

• 破壊解析

 亀裂進展/クラッシュ/etc…

• 振動解析

 ロータダイナミクス解析

• 連成解析

‐ 使いやすいGUI

• プリからポストまで実施可能

 メッシング/境界条件設定/etc…

バードストライク 周期対称問題 TMF(Thermo Mechanical Fatigue)

き裂進展解析 伝熱解析（全熱流束表示）

非線形構造解析

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Ansys Mechanical ：周期対称解析

• 周期対称条件

‐ 周期的に繰り返す形状をモデル化する際に適用される境界条件

‐ 周期対称となる部分（セクタ）のみモデル化

‐ 周期境界面となる部分に周期対称境界条件を適用

‐ 回転体（タービン／ギヤなど）の解析に用いられる

‐ 計算効率Up（モデル自由度の縮退化）

解析結果：モーダル解析における各モードシェープ 周期対称境界を適用

ある“軸”に対してモデルが“周期的な”形状をしている場合，

“セクタ”と呼ばれる周期形状部のみ抽出して解析

全周モデル 周期対称モデル

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Ansys Mechanical ：ローターダイナミクス解析

• ローターダイナミクス（ Rotor Dynamics ）

‐ 高速回転体に作用する回転効果（コリオリ／ジャイロ）を 考慮した振動解析のこと

‐ 回転体の触れ回り振動を回転速度を考慮しながら計算する ことが可能

• なぜ必要か？

‐ 回転する製品（タービンやドライブシャフトなど）は回転 軸に対してアンバランス振動が発生する！（公差をゼロに する設計は現実上無理）

‐ アンバランス状態で回転体が回転すると特定の回転数で大 きく変形（振れ回る！）

‐ 振れ回りが構造振動となって発生する

典型的なRotor – Bearing システム

ベアリング要素

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Ansys Mechanical ： FSI 解析（流体ー構造 連成解析）

• Mechanical 単独

‐ 音響（流体）ー構造 強連成解析：連成方程式を直接解く手法

• 音響（流体）と構造の双方の影響を考慮

 バーチャルマス効果

• CFD ＋ Mechanical 連携

‐ 流体ー構造 弱連成解析：荷重データを転送する手法

• 1Way FSI解析

 流体解析から構造解析（または逆）へデータを転送する解析手法

• 2Way FSI解析

 流体解析と構造解析のデータを交互に転送し計算を行う解析手法

𝑀𝑀_𝑆𝑆 0

𝜌𝜌₀ 𝑅𝑅 ^𝑇𝑇 𝑀𝑀_{𝐹𝐹 𝑒𝑒𝑒𝑒}̈𝑢𝑢̈𝑝𝑝 + 𝐶𝐶_𝑆𝑆 0

0 𝐶𝐶_{𝐹𝐹 𝑒𝑒𝑒𝑒}̇𝑢𝑢̇𝑝𝑝 + 𝐾𝐾_𝑆𝑆 − 𝑅𝑅 0 𝐾𝐾_𝐹𝐹 𝑢𝑢_𝑒𝑒

𝑝𝑝_𝑒𝑒 = 𝑓𝑓_𝑆𝑆 𝑓𝑓_𝐹𝐹

添え字S ：構造側質量・減衰・剛性マトリクス 添え字F ：音響側質量・減衰・剛性マトリクス u_e ：節点変位ベクトル

p_e ：節点圧力ベクトル

質量連成項

剛性連成項

音響×構造強連成解析

（バーチャルマス効果）

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Ansys Solution ： Design Process 支援

初期設計 最適化

詳細設計

CFXやFluentによ る熱流体解析

Mechanicalと組み 合わせた連成解析

DesignXplorerを 用いた最適化 試験・製造

Vista CCD/CPD, TF による初期設計(2D)

設計仕様

TurboGridによる メッシュ作成 BladeModeler

で形状作成

解析事例 Ⅰ ：

ローター ダイナミクス解析

解析事例 Ⅰ ：ローターダイナミクス解析

• 目的

‐ 回転体に対しローターダイナミクス解析を実施し、応答特性を確認する

• ローターダイナミクス解析：高速回転体に作用する回転効果（コリオリ／ジャイロ）を考慮した振動解析

• 理由

‐ 回転する製品は回転軸に対してアンバランス振動が発生

• 実物においてアンバランスは回避できない（公差をゼロにすることはできない）

‐ 特定の回転数で大きく変形（振れ回る） 、これを机上検討で把握することが重要！

• 解析プロセス

ワークベンチフロー

1. 危険速度予測解析 2.アンバランス応答解析

モデル・拘束条件共通

解析事例 Ⅰ ：ローターダイナミクス解析

• STEP 1 ：解析設定

‐ モデル条件

• メッシング

• ベアリング定義

 ベアリング剛性・減衰を定義可能

‐ 境界条件

• 回転速度定義

• 拘束定義

ベアリング用スプリング＆

ダンパーモデル

メッシュ作成（3D表示）

1. 危険速度予測解析

回転速度定義

解析事例 Ⅰ ：ローターダイナミクス

• STEP 2：キャンベル線図作成

‐ 複素固有値解析

• 減衰考慮

‐ 危険速度計算

キャンベル線図

1. 危険速度予測解析

振れ回り1次モード

（固有値：14.7[Hz]／回転数92.5[rad/sec]）

触れ回り1次モードにおける危険速度 キャンベル線図

・横軸：回転数（回転速度），縦軸：固有振動数

・回転スイープさせたときに固有値とぶつかる点が「危険速度」

解析事例 Ⅰ ：ローターダイナミクス

• STEP 3：アンバランス応答解析

‐ 振れ回り計算

• フル法周波数応答解析

‐ アンバランス入力定義

• アンバランス荷重を“半径”と“質量”で指定

‐ 解析結果

2.アンバランス応答解析

シャフト回転軸

回転半径

アンバランス質量

回転方向

151Hz 15Hz

15Hz近傍の変形モード

（触れ回り1次モードの励起）

151Hz近傍の変形モード

（触れ回り2次モードの励起）

解析事例 Ⅱ ：

水の影響を考慮した

水車の固有値解析

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解析事例 Ⅱ ：水の影響を考慮した水車の固有値解析

• 目的

‐ 周囲の水の影響を考慮した水車の振動特性を確認する。

• 周囲流体の影響を考慮する固有値解析は“音響モーダル解析”で実施可能

• 理由

‐ 空気より粘度・密度の高い水中では固有振動数が変化、これを考慮した計算が机上検討で 重要！

• 解析プロセス

ワークベンチフロー

2. 形状設定（Ansys SpaceClaim） 3. 音響モーダル解析（Ansys Mechanical）

1. 材料設定（エンジニアリングデータ）

形状情報 材料情報

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解析事例 Ⅱ ：水の影響を考慮した水車の固有値解析

• STEP 1 ：材料設定

‐ 水車の材料特性

‐ 周囲流体の材料特性

• “流体材料”ライブラリ > 水（液体）

‐ 周囲流体に必要な材料特性

• 必須：密度、音速

• 任意：熱伝導率、比熱、粘性、etc…

1. 材料設定（エンジニアリングデータ）

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解析事例 Ⅱ ：水の影響を考慮した水車の固有値解析

• STEP 2 ：形状作成

‐ 水車

‐ 周囲空間

 周囲空間の作成は SpaceClaim が便利！

‐ プリペアタブ > エンクロージャ > 対象を選択

> 寸法を設定 > 完了をクリック 2. 形状設定（Ansys SpaceClaim）

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解析事例 Ⅱ ：水の影響を考慮した水車の固有値解析

• STEP 3 ：解析設定・結果

‐ 解析条件の設定

• 構造領域・音響領域

• 放射境界

‐ 結果

3. 音響モーダル解析（Ansys Mechanical）

モードNo.1 モードNo.2/3 モードNo.4 モードNo.5/6

構造単独モデル 1349.5 Hz 1566Hz 2377.7 Hz 2412 Hz

水 + 構造モデル 1168.6 Hz 1292 Hz 1569

(モードNo.4/5) 1618 Hz

(モードNo.6/7)

構造領域 音響領域

解析事例 Ⅲ ：

タービン翼 1Way FSI 解析

（流体ー構造 連成解析）

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• 目的

‐ タービン翼に作用する流体力＆構造物体力を考慮した強度/振動特性を確認する。

• 理由

‐ 熱応力・流体圧力により翼の振動特性が変化、解析により事前把握・試作回数を削減！

• 解析プロセス

ワークベンチフロー 2. 熱応力解析（ Ansys Mechanical）

3. 固有値解析（ Ansys Mechanical）

4. 周波数応答解析（ Ansys Mechanical） 5. パラメータ解析（ Ansys Workbench）

1. 伝熱解析（Ansys Mechanical）

応力

振動モード 温度分布

各特性のパラメータ化

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• STEP 1 ：定常伝熱解析の設定・実行：

‐ 材料定義

• Engineering Dataの利用

‐ モデル定義

• 外部FEデータの取り込み

 FE Model : Nastran(or ABAQUS) Data

• Workbench標準機能：External Model

‐ CFD解析結果の取り込み

• 取込みデータ：表面温度

• CFD（CFX or Fluentソルバー）計算結果

• リンク設定による自動マッピング

• Workbench標準機能の利用

‐ 解析実行

熱伝導解析システム CFDシステム

外部FEデータ取込み

表面温度

メッシュ情報

メッシュ情報 温度マッピング結果 熱伝導解析結果

Engineering Data

伝熱解析セッティング

1. 伝熱解析（ Ansys Mechanical ）

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• STEP 2 ：熱応力解析の設定・実行

‐ Engineering Data, Model (FEデータ)

• 前の情報を引き継ぎ

‐ 境界条件

• 圧力定義

 CFD計算結果

• 温度定義

 定常伝熱解析結果

 リンク設定による自動マッピング

• 遠心力定義

 モデル内への回転速度の定義で自動計算

• 拘束点定義

 モデル内で定義

‐ 解析実行

圧力

温度

静解析システム

圧力マッピング結果

温度マッピング結果 変形結果

静解析セッティング

2. 熱応力解析（ Ansys Mechanical ）

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• STEP 3 ：固有値解析の設定・実行

‐ Engineering Data, Model (FEデータ)

• 前の情報を引き継ぎ

‐ 境界条件

• 初期応力効果情報の取り込み

‐ 解析実行

• 計算モード数定義 ^{固有値解析システム}

変形＆初期応力情報

モード１ モード２ モード３

固有値解析セッティング

3. 固有値解析（ Ansys Mechanical ）

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• STEP 4 ：周波数応答解析の設定・実行

‐ Engineering Data, Model (FEデータ)

• 前の情報を引き継ぎ

‐ 境界条件

• モード情報の取り込み

• 加振点の設定

‐ 解析条件

• 解析対象周波数範囲の設定

• ダンピングの設定

‐ 解析実行

周波数応答解析システム モーダル情報

周波数応答関数（翼端加振点応答）

入力点

周波数応答解析セッティング

4. 周波数応答解析（ Ansys Mechanical ）

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解析事例 Ⅲ ：タービン翼 1Way FSI 解析

• STEP 5 ：パラメータ解析の設定・実行

‐ パラメータアクティブ化

• 回転速度

• ヤング率

• 変位

• 応力

• etc…

‐ パラメータ値入力

‐ 解析実行

パラメータ解析設定/解析結果

5. パラメータ解析（ Ansys Workbench ）

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