 Displacement of high speed rotating shaft

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IMKT posted this 11 October 2018

Hello,

We designed the attached shaft with solid185 Elements. We have the goal to identify critical speeds of this shaft with a campbell diagram. This identification already works. The problem is the displacment. It is not plausible, because its scaled in meters and has an amount of more then 1 meter. I attached the visualisation as well.

Apart from that i plan to implement material and bearing damping. This doesnot work properly. By now its uncommented. Can you please check my concept. What value I should implement for the damping constants? I caclulated for the damoing keoficient a value of 1e-2. But it lowers the critical speed to 0rpms.

I would like to ask you, if you can try to help me identify the problem in my script. Perhabs it is a problem of unit setting or visualisation of result.

Best Regards,

Attached Files

peteroznewman posted this 11 October 2018

Here is the script attached above for those who can't open attachments : )

• !** Startup
• FINISH
• /clear,nostart
• !** KOS
• cswpla,11,1,1,1, ! Zylinderkoordinaten eingeführt
• !** Simdaten
• P_NW                = 20       ! Diskretisierung des Lastvektors, Zahl der Simulationszyklen
• P_RSPEED_BEGIN      = 0    ! Startdrehzahl, prm
• P_RSPEED_END        = 100000   ! Enddrehzahl, rpm
• !** geometrische Parameter
• !Länge in Z-Richtung [m]
• L_A1 = 0.03 ! Länge Wellenabsatz 1 - Wellenvorsprung
• L_A2 = 0.067 ! Länge Wellenabsatz 2 - Lagersitz A
• L_A3 = 0.238         ! Länge Wellenabsatz 3 - Zwischenabsatz
• L_A4 = 0.066 ! Länge Wellenabsatz 4 - Lagersitz B
• L_RP = 0.160
• L_Lager= 0.016 ! Lagerring Breite
• L_DistA= 0.010 ! Lagerhülsen Abstand - Lager A
• L_DistB= 0.020 ! Lagerhülsen Abstand - Lager B
• L_A2WS = 0.025 ! Freie Wellenschulter - Lagersitz A
• L_A4WS = 0.014 ! Freie Wellenschulter - Lagersitz B
• L_Dist_A3_RP=(L_A3-L_RP)/2 !Abstand Rotorpaket - Lagersitze
• !Lagerposition
• pi=acos(-1) ! Definition der Zahl Pi
• Anstellwinkel=15 ! Anstellwinkel Spindellager [°]
• R_Lager=0.024 ! Abstand Kugelmittelpunkt zu Wellenmittelpunkt
• *afun,deg
• Anstellversatz=sin(Anstellwinkel)*R_Lager ! Wirklinienschnittpunkt der lager mit Wellenachse
• Pos_LA1=L_A1+L_A2WS+L_Lager/2-Anstellversatz !Position Lager A1
• Pos_LA2=L_A1+L_A2-L_Lager/2+Anstellversatz !Position Lager A2
• Pos_LB1=L_A1+L_A2+L_A3+L_Lager/2-Anstellversatz !Position Lager B1
• Pos_LB2=L_A1+L_A2+L_A3+L_Lager/2+L_DistB+L_Lager+Anstellversatz !Position Lager B2
• r_A1=0.012 ! Radius Absatz 1
• r_A2=0.015 ! Radius Absatz 2
• r_A3=0.0175 ! Radius Absatz 3
• r_A4=0.015 ! Radius Absatz 4
• !** Materialparameter
• ex_s=2.1e11 ! Elastizitätsmodul Welle [m^4]
• ex_rp=3e10 ! Elastizitätsmodul Rotorpakets [m^4]
• dens_s=7850 ! Dichte Welle [kg/m^3]
• dens_rp=7830 ! Dichte Rotorpaket [kg/m^3]
• bs_r=1.632e8/2      ! Lagersteifigkeit Lager [N/m]
• !Damping
• damp1=1e-3 ! shaft damping
• damp2=1e-3 ! rotorpackage damping
• damp3=1e-3 ! bearing damping
• /UNITS, SI ! Einführung von SI-Einheiten
• *STAT
• !** PREP7 Commands: https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/ans_cmd/Hlp_C_CH2_5.html
• ! Preprocessing - Aufbau der Simulation
• /prep7
• !** Dehzahlerzeugung mit Schleife in Array P-Spin der Dimension P_NW
• *DIM, P_SPIN, ARRAY, P_NW
• !** Lastenvektor P-SPIN Füllen
• P_SPEED_STEP_SIZE = (P_RSPEED_END-P_RSPEED_BEGIN)/(P_NW)
• *DO, I, 1, P_NW !
• P_SPIN(I) = P_RSPEED_BEGIN+(I-1)*P_SPEED_STEP_SIZE
• *ENDDO
• !Herstellung des Wellenkörper mich zylindrischen Volumenkörpern
• !Erzeugung sich durchdringender Körper
• !Schleife zur Teilung der Wellenabsätze in 4 Teile auf Unfang im 90° Winkel zur Erzeugung von Mittelknoten
• *DO, x, 1,4
• !1. Absatz
• Cylind,0,r_a1,0,L_A1+L_A2+L_A3+L_a4,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• !2. Absatz
• Cylind,0,r_a2,L_A1,Pos_LA1,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a2,Pos_LA1,(Pos_LA2+Pos_LA1)/2,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a2,(Pos_LA2+Pos_LA1)/2,Pos_LA2,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• !4. Absatz
• Cylind,0,r_a2,Pos_LA2,Pos_Lb1,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a2,Pos_Lb1,(Pos_Lb1+Pos_LB2)/2,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a2,(Pos_Lb1+Pos_LB2)/2,Pos_Lb2,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a2,Pos_Lb2,L_A1+L_A2+L_a3+L_a4,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• !3. Absatz
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP*(1/2),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP*(1/2),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP,0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(1/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(1/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(2/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(2/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(3/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(3/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(5/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(5/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(6/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(6/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(7/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(7/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(8/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(8/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(9/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(9/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(10/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(10/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(11/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(11/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(12/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(12/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(13/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(13/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(14/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(14/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(15/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(15/16),L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(16/16),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/4),L_A1+L_A2+(3/2)*L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/4),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• Cylind,0,r_a3,L_A1+L_A2+(3/2)*L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/4),L_A1+L_A2+2*L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/4),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• !Rotorpaket
• Cylind,0,r_arp,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP,L_A1+L_A2+L_Dist_A3_RP+L_RP*(4/4),0+(x-1)*90,90+(x-1)*90
• *enddo
• vovlap,all ! Verbinden der Volumenkörper - Festlegung der Verschiebungen an den Kontaktflächen
• !Einführung der Elemente
• et,1,185 ! Elementtyp 185: SOLID185 https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/ans_elem/Hlp_E_SOLID185.html
• keyopt,1,2,3 ! Einführung des Solid 185 Volumenelements
• r,1
• type,1
• mat,1 ! Zuweisung Materialnummer der Welle
• real,1
• ! mp,alpd,1,damp1      ! Material damping
• ! mp,betd,1,damp1
• ex,1,ex_s ! Zuweisung des E-moduls für Welle
• nuxy,1,0.3 ! Zuweisung des Schermoduls für Welle
• dens,1,dens_s ! Zuweisung der Dichte der Welle
• et,2,185 ! Elementtyp 185: SOLID185 https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/ans_elem/Hlp_E_SOLID185.html
• keyopt,1,2,3 ! Einführung des Solid 185 Volumenelements
• r,2
• type,2
• mat,2 ! Zuweisung Materialnummer des Rotorpakets
• real,2
• ! mp,alpd,2,damp2      ! Material damping
• ! mp,betd,2,damp2
• ex,2,ex_rp ! Zuweisung des E-moduls des Rotorpakets
• nuxy,2,0.3 ! Zuweisung des Schermoduls des Rotorpakets
• dens,2,dens_rp ! Zuweisung der Dichte des Rotorpakets
• ! Mashing
• mshape,1,3 ! Einstellung von 3D Volumenelementen
• mshkey,0 ! Einstellung von freiem Meshing
• DESIZE,2,,2,2 !Einstellbarkeit der Dichte des Meshes
• Mopt,aorder,on ! Einstellung der Mashing priorität - kleine Flächen zuerst
• lplott
• ! Zuerst gezieltes Mashing des Rotorpakets mit Volumenelementen der Materialeigenschaften des Rotorpakets
• ! Anwählung der entprechenden Volumen - (mit vsweep,p - Befehl ermittelt)
• ! vsweep,p
• ! /eof
• type,2
• mat,2
• vsweep,427
• type,2
• mat,2
• vsweep,425
• type,2
• mat,2
• vsweep,428
• type,2
• mat,2
• vsweep,426
• type,1
• mat,1
• vsweep,all
• !** Steifigkeitsmodellierung der Lager
• ! mp,alpd,7,damp3
• ! mp,betd,7,damp3 !Bearing Damping
• et,7,14 ! Einführung des Combin 14 Elements - https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/ans_elem/Hlp_E_COMBIN14.html
• r,7,bs_r,damp3  ! Zuweisung der radialen Steifigkeit
• type,7
• real,7
• !Lager A1
• csys,11
• n,20000,R_Lager,0,Pos_LA1+Anstellversatz ! Erzeugung der Federfußpunkte
• n,20001,R_Lager,90,Pos_LA1+Anstellversatz
• !Anwählen der Federfußpunkte
• nsel,s,loc,x,0,R_Lager
• nsel,r,loc,z,Pos_LA1-anstellversatz,Pos_LA1+Anstellversatz
• !Erzeugung der Combin14 Elemente
• !Auswählen der Mittelknoten und Verbinden mit Federfußpunkten
• e,20000,node(0,0,Pos_LA1)
• e,20001,node(0,0,Pos_LA1)
• !Sperrung der translatorischen Freiheitsgrade der Federfußpunkte
• d,20000,ux,0
• d,20000,uy,0
• d,20000,uz,0
• d,20001,ux,0
• d,20001,uy,0
• d,20001,uz,0
• !Lager A2
• n,20010,R_Lager,0,Pos_LA2-Anstellversatz
• n,20011,R_Lager,90,Pos_LA2-Anstellversatz
• nsel,s,loc,x,0,R_Lager
• nsel,r,loc,z,Pos_LA2-Anstellversatz,Pos_LA2+Anstellversatz
• e,20010,node(0,0,Pos_LA2)
• e,20011,node(0,0,Pos_LA2)
• d,20010,ux,0
• d,20010,uy,0
• d,20010,uz,0
• d,20011,ux,0
• d,20011,uy,0
• d,20011,uz,0
• !Lager B1
• n,20020,R_Lager,0,Pos_LB1+Anstellversatz
• n,20021,R_Lager,90,Pos_LB1+Anstellversatz
• nsel,s,loc,x,0,R_Lager
• nsel,r,loc,z,Pos_LB1-anstellversatz,Pos_Lb1+Anstellversatz
• e,20020,node(0,0,Pos_LB1)
• e,20021,node(0,0,Pos_LB1)
• d,20020,ux,0
• d,20020,uy,0
• d,20020,uz,0
• d,20021,ux,0
• d,20021,uy,0
• d,20021,uz,0
• !Lager B2
• n,20030,R_Lager,0,Pos_LB2-Anstellversatz
• n,20031,R_Lager,90,Pos_LB2-Anstellversatz
• nsel,s,loc,x,0,R_Lager
• nsel,r,loc,z,Pos_LB2-Anstellversatz,Pos_LB2+Anstellversatz
• e,20030,node(0,0,Pos_LB2)
• e,20031,node(0,0,Pos_LB2)
• d,20030,ux,0
• d,20030,uy,0
• d,20030,uz,0
• d,20031,ux,0
• d,20031,uy,0
• d,20031,uz,0
• allsel
• /pnum,type,1
• /color,num,blue,1
• /color,num,red,2
• /color,num,gree,7
• !/eof
• !** Anpassung der Ansicht
• /VIEW,  1, -0.300232386613    , -0.767188078802    ,  0.566818282850
• /ANG,   1,  -67.4214496653
• /REPLO
• !Verarbeitung des Modells
• !** Komponenten
• esel,s,ename,,185 ! Auswählen Elemente
• esel,a,ename,,14
• cm,rotor,elem
• nsle,s,1
• esel,a,ename,,14
• cm,rotor_bear,elem
• allsel
• save,rotor_supp_full,db
• finish
• EPLOT
• !Lösen der Simulation
• /solu
• pi=acos(-1)
• !pi=3.141
• rpmtorps=2*pi/60 ! Umrechnung der Drehzahl in Winkelgeschwindigkeiten
• antype,modal
• modopt, qrdamp,6,1,0,1,on ! Berücksichtigung der Modalen Dämpfung
• mxpand,6, , ,1
• coriolis,on,,,on ! Einstellung der Kreiselwirkung
• beta,1e-6
• ! Einleitung der Lasten in einer Schleife
• *DO, I, 1, P_NW
• cmomega,rotor,P_SPIN(I)*rpmtorps,,,0,0,0,0,0,L_A1+L_a2+L_a3+L_a4 ! Specifies the rotational velocity of an element component about a user-defined rotational axis.
• solve
• *ENDDO
• save, rotor_use,db
• finish
• ! **********************
• !   Anzeige der Ergebnisse
• ! **********************
• /clear, nostart
• resume, rotor_use,db
• ! Postprocessing - Illustration der Ergebnisse
• ! Skalierung und Generierung des Campbell Diagramms
• /post1
• /gropt,divx,5
• /gropt,divy,5
• /yrange,0,2000,1
• /xrange,0,100000,1
• /show,jpeg
• ! Erzeugung der Daten für das Campbell Diagrams - Harmonische und Eigenfrequenzen werden berechnet
• plcamp,on,1,rpm,,rotor ! Campbelldiagramm 1. Ordnung
• ! Erzeugung von Front und Backwhirl
• ! Die Linie representiert die Anzahl der Erregungen pro Umdrehung des Rotors.
• prcamp,on,1,rpm,,rotor ! prints campbell diagram with 1st order excitation
• /show,close
• ! Eigenfrequenzen und kritischen Drehzaheln abspeichern
• *Get,camp_nMode,camp,,NBMO ! Auslesen der Anzahl der Moden
• *Get,camp_nStep,camp,,NBST ! Anzahl der Lastschritte
• ! Abspreichern der Eigenfrequenzen in einem Array
• *DIM,camp_freq1,array,camp_nMode,P_NW
• ! Füllen des zweidimensionalen Array
• *DO,E,1,camp_nMode
• *DO,O,1,P_NW
• *Get,camp_freq1(E,O),camp,E,freq,O
• *Enddo
• *Enddo
• ! Abspeichern der kritischen Drehzahen in einem Array
• *DIM,camp_vcri,array,camp_nMode
• *DO,A,1,camp_nMode
• *Get,camp_vcri(A),camp,A,vcri
• *ENDDO
• ! Erzeugung der Daten des Campbell diagrams in einer Textdatei
• ! Öffnen der Datei zur Dokumentation der Eigenfrequenzen - Benennung variabel
• *CFOPEN,'camp_dat_Solid_20V_MS4_okW_test','txt'
• *VWRITE,'Drehzahl',' ','1. Frequenz',' ','2. Frequenz',' ','3. Frequenz',' ','4. Frequenz',' ','5. Frequenz',' ','6. Frequenz'
• (A8,A5,A11,A5,A11,A5,A11,A5,A11,A5,A11,A5,A11,A5,A11)
• *DO,L,1,P_NW
• *VWRITE,P_SPIN(L),'',camp_freq1(1,L),'',camp_freq1(2,L),'',camp_freq1(3,L),'',camp_freq1(4,L),'',camp_freq1(5,L),'',camp_freq1(6,L)
• (F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5)
• *ENDDO
• *CFCLOS
• *CFOPEN,'camp_crit_Solid_20V_MS4_okW_test','txt'
• *VWrite,camp_vcri(1),'',camp_vcri(2),'',camp_vcri(3),'',camp_vcri(4),'',camp_vcri(5),'',camp_vcri(6)
• (F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5,A5,F15.5)
• *CFCLOS
• !Erzeugung des Durchbiegungsschaubildes
• !/erase
• !fini
• !** combined results of foundation and rotor
• /clear, nostart
• /verify
• resume, rotor_use,db
• /post1
• ! /color,wbak,whit,1
• ! /color,pbak,0,-1,1
• /eshape,1
• cmsfile,clear
• !!!file, rotor_use,rst
• set,3,2
• /dscale,,1
• /show,jpeg
• plnsol,u,sum,0
• *get, umax,plnsol,0,max
• *stat,umax
• /show,close
• !/show,jpeg
• ! plnsol,u,sum,0
• ! *get, umax,plnsol,0,max
• ! *stat,umax
• ! /show,close
• finish Close 