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Liebe ANSYS-Gemeinde,

ich würde mich sehr freuen, wenn Ihr mir bei folgender Problemstellung weiterhelfen könntet:

Ich untersuche eine Turbinenschaufel hinsichtlich ihr dynamischen Verhaltens unter Fliehkraft- und Temperatureinwirkung. Aufgrund der LangrangeŽschen Betrachtungsweise(kein zyklisches System) sind keine Corioliseffekte zu berücksichtigen.

Im Folgenden möchte ich eine Frequenzganganalyse durchführen, um die maximalen Amplituden in den Resonanzzuständen zu bekommen. Unter Berücksichtigung der Fliehkrafteinwirkung entsteht folglich eine Versteifung der Eigenfrequenzen über den Betriebsverlauf. Entsprechend unter Berücksichtigung der Temperatureinwirkung eine Entsteifung. Dieses Einflüsse habe ich bereits in einem Campbell-Diagramm zur Bestimmung der kritischen Betriebszustände modellieren können. Jedoch stellt sich für mich bei der Frequenzganganalyse zur Ermittlung der Amplituden ein Problem dar. Beim Verlauf der Amplituden über die Frequenz treten in den eigentlichen Resonanzzuständen keine Peaks auf.

Zur Hilfestellung habe ich den Auszug meiner Implementierung der Analysen beigefügt:

/SOLU

ANTYPE, TRANS

TRNOPT, FULL
TIMINT, ON
SOLCONTROL, ON
NROPT , FULL
NEQIT , 100
OUTRES, ALL, LAST

*DO, i, 1, ((t_2_betr/dt_2_betr)+1), 1

t_sim   = betrfe_t(i, 1)
teta_lt = betrfe_t(i, 3)

TIME, t_sim

AUTOTS, OFF
NSUBST, 1, 1, 1

SF, kng_temp, CONV, alpha_c_lt, teta_lt
D, kng_temp, TEMP, teta_lt

SOLVE

*ENDDO

FINISH

/PREP7

ET, 2, SOLID187, , , , , , 0, 1

EMODIF, elg_ges, TYPE, 2
ETDELE, 1
NUMCMP, TYPE

D, kng_bef_y, UY, 0.00

D, kng_bef_xz, UX, 0.00
D, kng_bef_xz, UZ, 0.00

FINISH

*DO, i, 1, ((t_1_betr/dt_1_betr)+1), 1

f_sim = betrfe_t((((i-1)*dtv_betr)+1), 1)
t_sim = betrfe_t((((i-1)*dtv_betr)+1), 1)
f_lt  = betrfe_t((((i-1)*dtv_betr)+1), 2)/60.00

omega_lt = f_lt*2.00*pi

/SOLU

ANTYPE, STATIC

SOLCONTROL, ON
NROPT , FULL
NEQIT , 100
OUTRES, ALL, LAST

TIME, t_sim

AUTOTS, OFF
NSUBST, 1, 1, 1

*IF, betr_einw, EQ, 1, OR, betr_einw, EQ, 3, THEN

OMEGA, 0.00, omega_lt, 0.00, ON

*ENDIF

*IF, betr_einw, EQ, 2, OR, betr_einw, EQ, 3, THEN

LDREAD, TEMP, (((i-1)*dtv_betr)+1), LAST, LAST, 0, Lt_St2_Ls2, RTH

*ENDIF

PSTRES, ON

SOLVE

FINISH

/SOLU

ANTYPE, HARMIC

SOLCONTROL, ON
HROPT, FULL
HROUT, ON
NEQIT, 100
OUTRES, ALL, LAST

! DMPRAT, 0.01

HARFRQ, f_sim

AUTOTS, OFF
NSUBST, 1, 1, 1

UPCOORD, 1, ON

SYNCHRO, harm_fgang
OMEGA, 0, 1, 0, ON

PSTRES, ON

SOLVE

FINISH

/POST1

RSYS, 11

KSEL, S, KP, , kp_65, kp_65

NSLK, S

*GET, kng_erg_fgang, NODE, , NUM, MIN

ALLSEL

*GET, u_res_fgang, NODE, kng_erg_fgang, U, SUM

*IF, i, EQ, 1, THEN

*DIM, fgangfe_f, ARRAY, ((t_1_betr/dt_1_betr)+1), 2

*ENDIF

fgangfe_f(i, 1) = f_sim
fgangfe_f(i, 2) = u_res_fgang

FINISH

*ENDDO

Wie Ihr seht, habe ich das ganze Problem schwachgekoppelt berechnet, um den Rechenaufwand möglichst klein zu halten. Die Ergebnisse aus der transienten Temperaturberechnungen werden je gewähltes Inkrement in eine folgende quasistatische Berechnung zur Ermittlung der Vorspannungen einbezogen. Es folgt die Berechnung des dynamischen Anteils der Fliehkräfte unter Berücksichtigung der Vorspannungen. Da das rst-File je Schleifendurchlauf leider überschrieben wird (es ist kein Restart einer Harmonischen-Analyse möglich), werte ich die Ergebnisse aus und schreibe sie mir in ein Array. Dieses wiederholt sich je Schleifendurchlauf über die gewählte Anzahl der Inkremente.

Wie bereits geschrieben liegt das Problem darin, dass beim Verlauf der Amplituden über die Frequenz  in den eigentlichen Resonanzzuständen keine Peaks auftreten. Ohne Berücksichtigung der Vorspannungen funktioniert die Frequenzganganalyse wunderbar und liefert plausible Ergebnisse.
Meine Frage wäre dann an Euch, ob mein gewählter Ansatz zur Berücksichtigung der Vorspannungen überhaupt richtig ist und/oder ich ein Fehler bei hintereinanderschalten der Analysen gemacht habe.
Für andere Anmerkungen, wie Verbesserungsvorschläge, Anregungen oder Alternativen, wäre ich Euch ebenfalls sehr dankbar.

Ich hoffe Ihr könnt mir bei meiner Problemstellung weiterhelfen und vielen Dank im Voraus für Eure Antworten.

Viele Grüße

[Diese Nachricht wurde von tiro am 14. Mrz. 2011 editiert.]

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Hat den keiner eine Idee?
Ich überlege das Problem mit INISTATE zu lösen, umso die Vorspannung in die Frequenzganganalyse zu induzieren. Jedoch kann der Command nicht nach jedem Loadstep ausgeführt werden, sodass ich viele kleine Analysen hätte und keinen zusammenhängen Verlauf über das Frequenzband...
Ich hoffe, dass jemand noch eine gute Idee zu meiner Problemstellung hat, da ich momentan mit meinem Latein am Ende bin.

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Hallo Tiro

ich fasse mal zusammen was du hast und wo du hin willst. bitte korrigiere mich wenn ich falsch liege.

An Turbinenschaufel sollen unter beachtung stress stiffening + spin softening durch Rotationslast/Templast die Eigenfrequenzen berechnet werden. Das willst du gern bei an mehreren Punkten durchführen.
Die Lage der Eigenfre ist also eine funktion der Rotationslast und Temp.
Jetzt regst du harmonisch mit einer Last (Druck?!?) an und möchtest die harmonische Antwort (real+imag) berechnen.
Warum nutzt du die full-harmonic methode? Es wäre doch total sinnvoll die harmonische als superposition der modalen lösung zu berechnen
hropt,MSUP
damit kannst du sogar ein clustering in der Nähe der EF machen lassen.

Mir ist aufgefallen dass die Dämpfung auskommentiert ist. Warum?

Naja, vielleicht kommst du mit diesen Gedanken etwas weiter

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Jens Friedrich
TU-Dresden

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Hallo Jens,

vielen Dank schon Mal für deine Antwort...

So wie Du es zusammengefasst hast ist genau richtig:
Die Bewegungsgleichung meiner Betrachtung begrenzt sich damit auf (K+Kc)u=F mit K=globale Steifigkeitsmatrix (stress stiffening) und Kc=globale Steifigkeit infolge Fliehkräfte (spin softening).
Wie es auch aus einem typischen Campbell-Diagramm ersichtlich wird, sind die Eigenfrequnezen damit eine Funktion aus der einwirkenden Fliehkraft (Drehzahl) und Temperatur (Teta). Beide möchte ich in meine Betrachtung mit einbeziehen und als Vorspannung in meine Frequenzganganalyse berücksichtigen. Die Dämpfung ist zudem nur ausversehen auskommentiert gewesen als ich den Text reinkopiert habe 

Leider bin ich bei dieser auf die Full-Harmonic-Methode begrenzt, da der SYNCHRO-Command lediglich in dieser angewendet werden kann. Über den OMEGA-Command wird ein Richtungsvektor mit "1" vorgegeben und der Synchro-Command ermittelt dann die vorausgesetzte Frequenz in einem jeden Inkrement und ermittelt die jeweilig harmonischschwankende Fliehkraft bezüglich des Richtungsvektors. D. h. ich möchte unter Einbezug der Vorspannung (statische Fliehkraft und Temperatur) den dynamischen Anteil der Fliehkraft ermitteln und die Amplituden in Resonanz bestimmen.

Ich habe mittlerweile so einige Versuchungen angestellt die Vorspannung in die Frequnezganganalyse zu integrieren, jedoch ohne jeglichen erfolg. Das Problem ist, dass ich zwar eine Vorspannung (PSTRES, INISTATE usw) vorgeben kann, diese jedoch nur am anfang der Analyse und nicht je ausgeführten Loadstep. Dieses ist aber notwendig, da auch je Loadstep, d. h. über den Betriebsverlauf der Turbine, die Drehzahl und die Temperatur steigt und sich somit die Vorspannung je Loadstep (je Inkrement) verändert. Vielleicht hast Du eine Idee, wie man dieses Problem lösen kann?

Außerdem habe ich schon überlegt den statischen Anteil der Fliehkraft herauszulassen und lediglich über LDREAD die Temperaturen je Inkrement aus der davorgeschalteten transienten Analyse einzulesen. Folglich wären aber die Ergebnisse nicht mehr mit dem Campbell-Diagramm konsistent, was zu niedrigeren Eigenfrequenzen und ebenfalls Amplituden führen würde.

Ich würde mich wirklich freuen dieses Problem noch etwas weiter zu diskutieren und würde mich somit ebenfalls auf eine Antwort Deinerseits bzw. Eurerseits sehr freuen.

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Zitat:

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hropt,MSUP
damit kannst du sogar ein clustering in der Nähe der EF machen lassen.

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Genauso habe ich es auch gemacht, allerdings scheint ein Bug von Ansys zu bestehen.

Ich berichte mal über mein Vorgehen

stat.Voranalyse mit

EMATWRITE,YES
SSTIF,ON

Modalanalyse mit

MODOPT,LANB
PSTRES,ON
PSOLVE

Frequengang:

HROPT,MSUP,...
HROUT,,ON
NSUBST,15 ! Hier macht Ansys nur 4, egal was man einträgt !!!!!!!!!!!!!!

Hoffe etwas geholfen zu haben

mfg

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Danke, aber leider hilft mir das nicht weiter...

Wie ich gesegt habe bin ich auf die Full-Harmonic-Methode angewiesen, da ich über den SYNCHRO-Command den harmonischschwankenden Anteil in die Fliehkrafteinwirkung einbringen muss.
Außerdem muss das ganze bei mir durch die schrittweise Steigerung der Vorspannung über eine Schleife gelöst werden, sodass der PSTRES-Command mir auch nicht weiterhilft.
Das ganze ist ein wenig zum Verzweifeln...

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ich bin auch schon am verzweifeln, weil ichs noch nicht so recht verstehen kann.
Woher kommt die Anregung? Mit dem Sync-Befehl wird jetzt wohl irgendwie die Anregung mit der Rotationsgeschwindigkeit gekoppelt. Kannst du mir mal für Rotordynamikanfänger erklären, welchen effekt man hier abbildet. Ich muss zugeben, dass meine Kenntnisse auf diesem Gebiet recht oberflächlich sind.

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Jens Friedrich
TU-Dresden

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Ich will Euch eigentlich damit nicht auch noch in den Wahnsinn treiben 

Die Anregung kommt von der Drehfrequenz der Turbine bzw. der Drehzal umgerechnet in eine Winkelgeschwindigkeit. Diese kann man einfach über den OMEGA-Command definieren und ANSYS generiert die Winkelgeschwindigkeit ins System und errechnet damit im Prinzip automatisch die wirkende Fliehkraft (F=m*omega^2*r) je Knoten.
Über den SYNCHRO-Command wird diese in eine harmonischschwankende Kraft (Fy=omega^2*(F*cos(alpha)*cos(omega*t)+F*sin(alpha)*sin(omega*t)) und Fz=omega^2*(F*cos(alpha)*sin(omega*t)-F*sin(alpha)*cos(omega*t)) umgerechnet. Die mögliche Resonanz besteht letztendlich zwischen den Eigenfrequnezen der Turbinenschaufel und der (i*n)-fachen Harmonischen der Drehfrequnez der Turbine als Erregerfrequenz (n ist die Anzahl der vorgeschalteten Leitschaufeln und i=1,2,3,...). Das ganze nennt man auch Düsenerregung.
Aber vielleicht ist der Ansatz mit der modalen Superposition gar nicht so verkehrt. Zumindest versuche ich mich grade daran... Das Einzige was mir zu denken gibt ist, wie ich die möglichen Resonanzzustände darstellen kann ohne den SYNCHRO-Command.

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Hallo Tiro!

hab gerade gesehen, dass man ein wunderschönes BSP im
// Advanced Analysis Techniques Guide // 8. Rotating Structure Analysis // 8.7. Sample Unbalance Harmonic Analysis

// Rotordynamic Analysis Guide // 7. Rotordynamic Analysis Examples

// Technology Demonstration Guide // 21. Rotordynamics of a Shaft Assembly Based Representative Model of Nelson-Vaugh Rotor

findest.
Dein Problem ist zwar nicht axisymmetrisch und kann wahrscheinlich auch nicht als Balken gerechnet werden. Es sollte trotzdem mit den hinterlegten inputs möglich sein das problem zu lösen.
Vielleicht erstaml an einem einfachen Balkenmodell die Berechnung testen und dann zum komplexen Bauteil übertragen

Gruß
Jens

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Jens Friedrich
TU-Dresden

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Hallo Jens,

vielen Dank für Dein Hinweis, aber diese Beispiele habe ich mir schon des öfteren durchgeschaut, um Rückschlüsse auf mein Problem zu gewinnen. Jedoch Berücksichtigen all diese Beispiele nicht die Vorspannung aus der Fliehkraft und der Temperatur.
Genau an dieser Stelle liegt ja mein Problem. Lasse ich diese Vorspannung weg, so ergeben sich ja auch die für diesen Fall gewünschten und plausiblen Ergebnisse.

Das ganze ist einfach ein ANSYS-technisches Problem, da Ansys nicht erlaubt für einen neuen Loadstep einer Harmonischen-Analyse (da kein Restart möglich) eine neue Vorspannung zu definieren und einfließen zu lassen.

Vielleicht habe ich ja noch das Glück und jemand kommt mit der zündenden Idee. Aber Danke Euch allen bisher.

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Hallo Bulko,

Unzwar habe ich jetzt auch die direkte Berechnung meines Problems sein lassen und führe dafür mehrere Berechnungen durch mittels der modalen Superposition der Harmonischen-Analyse. Hier ein kleiner Auszug dazu:

/SOLU

ANTYPE, STATIC

SOLCONTROL, ON
NROPT, FULL
NEQIT, 100
OUTRES, ALL, LAST

EMATWRITE, YES

t_sim = betrfe_t((((((t_1_betr/dt_1_betr)+1)-1)*dtv_betr)+1), 1)
f_lt = betrfe_t((((((t_1_betr/dt_1_betr)+1)-1)*dtv_betr)+1), 2)/60.00

omega_lt = f_lt*2.00*pi

TIME, t_sim

AUTOTS, OFF
NSUBST, 1, 1, 1

OMEGA, 0.00, omega_lt, 0.00, ON

PSTRES, ON

SOLVE

FINISH

/SOLU

ANTYPE, MODAL

MODOPT, LANB, es_anz_fgang, 0.00, 100000.00, OFF, ON
MXPAND, es_anz_fgang, 0.00, 100000.00, YES, , YES

(UPCOORD, 1.00, ON)

OMEGA, 0.00, omega_lt, 0.00, ON

PSTRES, ON

SOLVE

FINISH

*GET, f_1_fgang, MODE, 1, FREQ
*GET, f_%es_anz_fgang%_fgang, MODE, es_anz_fgang, FREQ

/SOLU

ANTYPE, HARMIC

SOLCONTROL, ON
HROPT, MSUP, es_anz_fgang, 1, NO
HROUT, ON, ON, ON
HREXP, ALL
NEQIT, 100
OUTRES, ALL, LAST

ALPHAD, (((2.00*(2.00*pi*f_1_fgang)*(2.00*pi*f_%es_anz_fgang%_fgang))/((2.00*pi*f_1_fgang)+(2.00*pi*f_%es_anz_fgang%_fgang)))*ldaem_las)
BETAD, ((2.00/((2.00*pi*f_1_fgang)+(2.00*pi*f_%es_anz_fgang%_fgang)))*ldaem_las)

HARFRQ, 0.00, ((n_nenn_lt/60.00)*harm_fgang)

NSUBST, ((n_nenn_lt/60.00)*harm_fgang)
OMEGA, 0.00, 0.00, 0.00, ON
FDELE, ALL, ALL

LVSCALE, 1

SOLVE

FINISH

/SOLU

EXPASS, ON
NUMEXP, ALL, 0.00, 100000.00, YES

SOLVE

FINISH

Da die Berechnung mittels modaler Superposition und dem Clustering umso viel schneller geht, verkürze ich trotz der mehr durchzuführenden Berechnungen die Rechenzeit drastisch. Allerdings sind die Amplituden etwas zu hoch und sehen nicht ganz plausibel aus, jedoch aber die frequneziellen Resonanzpunkte...
Nehme ich den UPCOORD-Command, wie oben in Klammern beschrieben, in die Berechnung mit rein, so stimmen die Amplituden, aber die frequneziellen Resonanzpunkte verschieben sich stark...

Da Du schon einige Erfahrungen haben zu scheinst: Welche Lösung ist denn richtig, mit oder ohne UPCOORD? Des Weiteren ist die Lösung mit PSOLVE doch nicht notwendig bei dem Problem?! Fällt Dir ansonsten etwas Falsches an meiner Modellierung auf?

Vielen Dank für Deine Antwort schon mal.

Viele Grüße

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Ohne dein Problem im Detail betrachtet zu haben, wie ist es mit der Dämpfung? Woher kommen die verwendeten Werte? Wie groß ist der Frequenzbereich?

Bei Raleigh Dämpfung steigt im Prinzip mit der Größe des Frequenzbereichs tendenziell wegen zu geringer Dämpfung im mittleren Frequenzbereich der Fehler. Niedrige und hohe Moden sind zu stark gedämpft. Es lässt sich nur für zwei Frequenzen das Dämpfungsverhalten vorgeben...

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Ich habe das LehrŽsche Dämpfungsmaß mit 0,01 angenommen und etsprechend für mein interessanten Frequenzbereich, d. h. für die untere und oebre Schranke der interessanten Eigenfrequenzen, in die alpha-beta-Werte umgerechnet.

Aber ich bin mir sicher, dass dort nicht das Problem liegt. Denn ich habe festgestellt (Vorausgesetzt konstante Dämpfung und konstanter Prestress), dass wenn ich den zu untersuchenden Frequnezbereich der Harmonischen-Analyse mittels modaler Superposition und Clustering erhöhe, dass sich die Amplituden verringern. Gleiches gilt für den umgekehrten Fall.

Ich kann beim besten Willen keinen Fehler in meiner Modellierung der Analyse finden und kann dieses Phänomen nur auf die modale Superposition schieben. Dennoch fehlt mir die Antowrt auf die Frage, warum?

Vielleicht hast Du bzw. Ihr ja eine Antwort. Dafür wäre ich wirklich dankbar.

Viele Grüße

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