Tổ hợp tuabin nhiều tầng cánh và thách thức khi thiết kế: Tính năng mới trong Simcenter 3D cho phân tích động học rô to

Trong ngành chế tạo máy và cơ khí nói chung, các tổ hợp tuabin thường được cấu thành từ nhiều đĩa cánh ghép lại. Thay vì phải mô phỏng toàn bộ cấu trúc 3D phức tạp, kỹ sư thường tận dụng tính chất đối xứng tuần hoàn – hay còn gọi là cyclic symmetry – để chỉ cần mô phỏng một khu vực đại diện (sector) của từng tầng cánh. Tuy nhiên, thách thức thật sự xuất hiện khi các tầng này có số lượng sector khác nhau hoặc kết cấu thay đổi, nhất là tại các điểm nối. Nếu cấu trúc đối xứng bị phá vỡ, chẳng hạn như ở các cánh quạt ít lá, việc chuyển qua mô phỏng khung quay là không thể thiếu và sẽ kéo theo nhiều hạn chế lớn, đặc biệt là với các phần không quay như ổ trục hoặc stato khi chúng không phải lúc nào cũng có dạng đẳng hướng (isotropic) trong thực tế công nghiệp.

Với bộ giải Simcenter Nastran Rotor Dynamics, những hạn chế này giờ đây có thể được giải quyết thông qua biến đổi Coleman (Coleman transformation), cho phép mô phỏng hệ thống với stato và ổ trục không đẳng hướng (anisotropic). Cách tiếp cận này giúp phản ánh đúng bản chất các tổ hợp đa tầng trong tuabin khí, tuabin hơi hay động cơ phản lực – nơi giả thuyết đối xứng trục không còn phù hợp. Và hiện tại, Simcenter 3D (phiên bản 2506) đã mở rộng khả năng của biến đổi Coleman cho cả các tổ hợp gồm nhiều tầng cánh mang tính tuần hoàn khác nhau.

Biến đổi Coleman và mô hình nhiều tầng cyclic symmetry

Biến đổi Coleman là giải pháp hiệu quả để tạo ra ma trận bất biến theo thời gian trong hệ toạ độ cố định đối với các rô to có đối xứng vòng. Phương pháp này cho phép sử dụng giản đồ Campbell cũng như phân tích ổn định nhằm xác định các tốc độ cộng hưởng nguy hiểm. Khi mô hình đạt đối xứng tuần hoàn hoàn toàn, kết quả sẽ tương đương với phương pháp Floquet. Nhờ có biến đổi Coleman, kỹ sư có thể tích hợp các phần không đẳng hướng vào mô phỏng mà trước đây bị loại trừ, mở ra cánh cửa mới cho việc nghiên cứu tổ hợp đa tầng phức tạp.

Khả năng vượt trội của Simcenter 3D khi phân tích rô to gắn cánh

Chuẩn bị mô hình các sector cyclic symmetry kết nối với nhau; sơ đồ Campbell và mode phức trong Simcenter 3D

Simcenter 3D nâng tầm mô phỏng rô to có cánh bằng cách cho phép tính toán đầy đủ cả hệ thống, dù cho mỗi bộ phận có hay không đảm bảo tính đối xứng trục. Các kết quả như sơ đồ Campbell, mode phức, và xuất dữ liệu trên hệ quy chiếu cố định giúp kỹ sư dễ dàng đọc hiểu bản chất dao động và nhận diện các nguy cơ cộng hưởng.

Phân tích mode phức chỉ với 5 bước trong Simcenter 3D

Bước 1: Chuẩn bị mô hình liên kết

Tạo mô hình liên kết giữa các tầng cánh với hình học 3D, ứng dụng khái niệm “master model” giúp đồng bộ hóa tự động: mỗi lần chỉnh hình học, lưới phần tử hữu hạn (FEA) cũng cập nhật theo, chỉ cần chạy lại mô phỏng.

Xem video minh họa khái niệm master model tại đây:

Mô hình master model trong Simcenter 3D quản lý liên kết giữa thiết kế CAD và phân tích FEA cho mô phỏng rô to nhiều tầng

Xem video trên Youtube

Bước 2: Chuẩn bị các mô hình phần tử hữu hạn sector cyclic symmetry của từng tầng

Với từng tầng, hãy xác định và tạo mesh cho sector đại diện. Mỗi sector có thể bao gồm một hoặc nhiều cánh tuabin tùy thiết kế.

Bước 3: Lắp ghép các tầng tại điểm nối

Xác định chính xác các điểm nối giữa hai tầng cánh. Bộ giải sẽ tự động đảm bảo tính liên tục của kết quả tại đây bằng việc bổ sung các sóng điều hòa bậc cao.

Bước 4: Thiết lập mô phỏng

Chạy phân tích mode phức trong hệ quy chiếu quay và kích hoạt biến đổi Coleman. Các kết quả sẽ bao gồm mode rô to tính theo nhiều thành phần điều hòa cùng lúc, toàn bộ các ổ trục/stato không đẳng hướng đều được tính trực tiếp, xuất kết quả về lại hệ quy chiếu cố định.

Bước 5: Xử lý hậu kỳ kết quả

Sơ đồ Campbell biểu diễn sự biến đổi tần số riêng của hệ theo tốc độ quay, thể hiện rõ các hiệu ứng con quay (gyroscopic). Đặc biệt, biến đổi Coleman cho phép xét đồng thời nhiều mode dạng sóng điều hòa mà các phương pháp truyền thống khó thực hiện. Kết quả có thể đọc trực tiếp mode 0-dường kính, 1-dường kính, v.v.

Cyclic symmetry còn mang lại những lợi ích khác?

Lợi ích rõ rệt nhất của cyclic symmetry là giảm kích thước và thời gian tính toán mô phỏng nhờ tận dụng cấu trúc lặp lại — không cần phải xây dựng toàn bộ mô hình 3D phức tạp. Hơn thế nữa, Simcenter 3D Rotor Dynamics còn cho phép:

  • Kết hợp các loại mô hình (1D, 2D Fourier, 3D) thành một tổ hợp rô to đa tầng linh hoạt
  • Kết nối rô to với hệ thống ổ trục, lò xo, giảm chấn… thông qua các linh kiện mô phỏng đặc tính đàn hồi/giảm chấn đa dạng, dễ điều chỉnh
  • Tạo super-element từ sector cyclic symmetry, sử dụng phương pháp tổng hợp mode thành phần (Component Mode Synthesis) để xây dựng mô hình đơn giản hóa nhưng vẫn giữ đủ độ chính xác cho lắp ghép hoặc hậu kỳ
  • Phân tích dao động với điều kiện tiền ứng suất phi tuyến (nonlinear prestress) — hữu ích cho các cánh dài, mảnh chịu biến dạng ly tâm lớn. Có thể tính toán mode sau khi kết cấu đạt trạng thái cân bằng phi tuyến này và dùng cho bài toán đáp ứng tần số

Qua những cải tiến vừa trình bày, Simcenter 3D Rotor Dynamics cho phép mô phỏng chính xác tổ hợp rô to đa tầng, kể cả với ổ trục/stato không đẳng hướng, và hỗ trợ xuất kết quả trên hệ quy chiếu cố định – giúp kỹ sư cơ khí dễ dàng phân tích, tối ưu.

Đọc thêm các chủ đề về động học rô to

Bạn là kỹ sư cơ khí hoặc chuyên gia CAD CAM đang tìm kiếm giải pháp tối ưu phân tích động học rô to cho các tổ hợp tuabin nhiều tầng cánh? Hãy để đội ngũ MICAD hỗ trợ bạn khai thác những tính năng hiện đại nhất của Simcenter 3D, phù hợp nhu cầu thực tế sản xuất và nghiên cứu! Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay qua đường link https://micad.vn/bao-gia/ để nhận tư vấn cụ thể, báo giá giải pháp và các ưu đãi chuyên biệt dành riêng cho lĩnh vực chế tạo máy, mô phỏng động học rô to, tuabin, và hơn thế nữa. Đừng bỏ lỡ cơ hội nâng cao năng lực cạnh tranh cùng MICAD!