Dynamic analysis of rotating systems including contact and thermal­-induced effects

Abstract

Rotor dynamics is a special field of structural dynamics focusing on the study and analysis of rotating structures. Practical applications for rotor dynamics are found in typical industrial rotating electrical machine design. High-speed technology introduced new challenges for mechanical design of rotating machines. In addition to structural strength analysis, vibration issues due to critical speeds (CSs) typically occur in rotating machinery, which is one of the main research topics in the field of rotor dynamics. Alongside vibrations, thermal loads as heat losses from electrical machines or from process cycle can contribute to the stress state of the rotating structure in a form of thermal stress.

In this doctoral dissertation, the use of three-dimensional (3D) solid finite element (FE) theory for modeling rotating structures in the field of rotor dynamics is studied. A brief history of the use of finite element method (FEM) in the field of rotor dynamics is provided. In comparison to the traditional beam element approach, the new phenomena that can be studied by the use of the solid finite element method are introduced and studied. Capability of modeling of complex rotors of high-speed motors with complex geometric properties accurately arises when using the 3D solid element modeling approach. Additional features such as body force; for example, centrifugal force, stress stiffening and thermal effects, can be included in the model of the rotating system. Custom contact modeling for the structural analysis of rotating structures is utilized, along with custom coupled field solution routines.

Roottoridynamiikka on dynamiikan erikoisala, jossa tutkitaan ja analysoidaan pyöriviä rakenteita. Roottoridynamiikan käytännön sovelluskohteena voidaan mainita teollisuuden pyörivät sähkökoneet. Suurnopeustekniikka tuo uusia haasteita pyörivien koneiden mekaniikkasuunnittelulle. Rakenteiden jännitysanalyysin lisäksi kriittisistä nopeuksista aiheutuvia värähtelyilmiöitä esiintyy tyypillisesti pyörivissä rakenteissa. Värähtelyilmiöt muodostavatkin roottoridynamiikassa yhden päätutkimuskohteen. Värähtelyn lisäksi lämpökuormat, johtuen joko sähkökoneen tai prosessin lämpöhäviöistä, tuovat oman osuutensa rakenteen jännityslaskentaan lämpöjännitysten muodossa.

Tässä väitöstyössä tutkitaan kolmiulotteisten tilavuuselementtien käyttöä roottoridynamiikassa osana elementtimenetelmällä tehtävää mallinnusta. Elementtimenetelmän historia osana roottoridynamiikkaa on esitelty. Tilavuuselementtien käyttö osana elementtimenetelmää tuo mukanaan uusia mallinnettavia ilmiöitä verrattuna perinteiseen palkkielementtimenetelmään, joita esitellään ja tutkitaan tässä työssä. Monimutkaisten geometristen muotojen tarkka mallintaminen suurnopeussähkökoneiden roottoreissa tulee mahdolliseksi käyttämällä tilavuuselementtimenetelmää. Muita ilmiöitä, joita tilavuuselementeillä voidaan parhaiten mallintaa, on rakenteen sisäiset voimat, kuten keskipakoisvoima, jännitysjäykistyminen sekä termiset ilmiöt, kuten lämpölaajeneminen. Tässä väitöstyössä käytetään kustomoidun kontaktin mallintamisen lisäksi kustomoituja ratkaisurutiineja osana rakenneanalyysia.