预测气动阻尼

TLDR:通过结合 ANSYS Mechanical 和 ANSYS CFX,可以通过模拟预测气动阻尼。此方法可用于涡轮叶片、飞机机翼或 MEMS 微镜!

 

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MEMS 系统的频率响应。峰值的高度取决于阻尼……那么阻尼比是多少?

 

多年来,很多人问我“嘿,明,我们可以用模拟来预测阻尼吗?” 是的,可以!

阻尼是机械动力学中的重要值之一,通常通过测量和模拟相关性来收集。但我的许多朋友都在研究 MEMS 设备,将加速度计粘到 MEMS 加速度计上真的很难!

因此,通过模拟计算阻尼变得非常方便。 - 参见下面的视频!

所以我们就这么做吧。

概述

流程如下:

 

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ANSYS Workbench 项目示意图使流程一目了然!

执行结构模态分析并挑选出感兴趣的模态形状。如果您正在设计谐振器,那么您知道您想要的那个。

将模式形状的运动映射到瞬态 CFD 模拟上并运行几个循环。

计算对流体所做的功并将其除以临界阻尼。

瞧!您得到了阻尼比。

看起来简单吗?其实不然。这里面有很多东西需要自动化。

幸运的是,我们所有人都已经在 ANSYS 中完成了。

为了将阻尼计算引入涡轮机械,ANSYS 开发团队付出了所有艰苦的努力。我们可以借助他们的努力,让这项技术也适用于 MEMS。

 

这里我们有一个挤压膜阻尼问题。

想象一根上下振动的金梁,上面有一些可以让空气通过的孔。

这是我们使用的标准示例,因为我们在 ANSYS Mechanical 中也有一个挤压膜阻尼模型。

首先我们来做模态分析。

 

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哪种模式才是我们感兴趣的?其中一些看起来不再像挤压膜阻尼了,是吗?

我们调用一个特殊函数来导出 CFX 变形配置文件。这意味着所有的网格运动和变形都由我们处理好了!(看,我告诉过你开发团队做了所有艰苦的工作!)

设置,1,1,,真实
cmsel,,光束
表达式,冲浪,模式,,光束,光束模式1,csv

然后我们在 CFX 中开始计算流体动力学模拟。

我们将要创建一个“瞬态叶片排模型”。但实际上并非如此,因为我们正在进行挤压膜阻尼模拟。我们假装它是一个瞬态叶片排模型,因为这里存储了许多阻尼计算特征。

 

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瞬态循环模拟设置

如果你眯起眼睛看一下,这就有道理了,傅里叶变换、循环、周期......阻尼!

将我们的.csv 作为配置文件加载并打开网格变形等。

 

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从模态分析中自动导入运动数据。

神奇的是,空气动力学阻尼作为一个选项出现在监视器窗口中。

这将自动对瞬态 CFD 模拟中移动叶片所做工作的循环积分。

 

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自动计算气动阻尼

不过,我们确实需要先定义一个临界阻尼系数,因为我们需要阻尼比。这是 4*pi*TotalEnergy。

我们可以通过谐波模拟获得特定振型的总能量。只需激励结构以我们想要从屏幕上读取的振幅振动即可。

 

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第一模态谐波分析 - 动能图

现在我们可以出发了。

等待一段时间,模拟完成,我们就得到了阻尼比!

 

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每个周期计算阻尼

结论

几年来我一直想经历这件事,所以终于完成了,真是太好了。

除了挤压和滑动膜阻尼外,该方法还为阻尼比计算提供了广泛的选择。扭转运动通常很受关注,现在有一种方法可以计算阻尼比。

 

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