往复压缩机中体部件的静力学分析.docx

往复压缩机中体部件的静力学分析

以2M50型往复压缩机中体部件为对象，该压缩机的主要设计参数见表3-1，结构如图3-1所示。

利用有限元软件对该型号压缩机的中体部件受载情况进行静力学分析，得出中体部件在极限状态下的应力、应变分布。考虑中体部件所受交变载荷的影响，对两个方向施加极限载荷，模拟实际工况下中体部件的受压和受拉情况。结合两次静力学分析结果，使用疲劳分析得出其安全系数。将分析结果与资料所得的安全系数和计算得出的许用应力做对比，判断中体部件是否满足强度要求。

???中体部件有限元模型的建立???

1.?中体部件三维模型的建立

以如图3-1所示的2M50型往复压缩机为研究对象，对中体部件使用有限元分析来探究其在试车过程中产生的振动与破损问题，根据分析结果来对中体机身及内部十字头进行结构优化，并验证优化结构的有效性。利用专业三维建模软件对中体部件的三维模型进行参数化建模，待模型完成后通过软件之间的信息交互将模型导入有限元分析软件中。

中体部件主要包括中体机身和内部的十字头部件。考虑到在压缩机实际运转时，中体机身与十字头部件主要受力情况不同，不用考虑两者的装配关系，建模时可以将两者分开建模。

由于在压缩机实际运行状态下，十字头销、压盖等零件的变形和振动对压缩机的影响并不大，所以在实际建模过程中可以略去这些微小零件以减小建模难度和有限元分析时的计算量。十字头滑履与十字头体通过螺纹连接，装配完成后会给螺栓孔内注入螺纹密封胶加以固定，所以在建模时不必考虑螺栓的松动而设置运动副，只要保证其完全约束即可。装配后中体机身及十字头的三维模型如图?3-2?所示。

2.?定义材料属性与单元划分

中体机身由于体型较大且在运行过程中内部温度有显著变化，所以选择牌号为QT450-10的铸铁。该牌号铸铁为铁素体型的球墨铸铁，具有较高的韧性、塑性、切削性能以及一定的抗温度急变性。对于十字头部件，由于其在压缩机运行过程中一直做高速的往复运动，需要具有更高强度和韧性的铸造材料，故选择牌号为ZG310-570的铸钢。与铸铁相比，铸钢的硬度较低，塑性和韧性较高，更适合用于如联轴器、大齿轮和十字头等重负荷零部件。两者的材料属性见表3-2?。

在软件中插入几何学模块定义材料属性和导入三维模型后，便可以选择继续插入静力学分析模块来对模型进行静力学分析。在单元划分时需要合理选择单元的尺寸，对模型的重要区域进行细化，对非重点区域采用尺寸较大的单元，这样既不会影响计算结果的精度，也不会使计算时间过长。此外，单元划分还需注意以下几点：在单元划分前对模型进行几何结构简化?（simplify?geometry）和拓扑结构简化（simplify?topology），以避免模型一些细小结构的存在导致单元划分失败；保证各单元是以顶点相连接，而不是在内点相连接；单元形状的构成平面应尽可能选择凸多边形，因为有限元计算的精度受划分单元的最长边边长和最短边边长之比的控制，该比值越大，计算精度就越差（凹多边形的最长边与最短边之比要比凸多边形大得多，所以应尽可能选择凸多边形作为单元形状的构成平面，如四面体单元、六面体单元等）。

由于压缩机工作时，十字头部件会一直保持高速往复运动，所以划分网格的大小设置为5mm，而中体机身的体积较大，所受气体力较小，所以划分网格的大小设置为10mm。网格划分结束后的十字头部件模型有?239356个节点和136309个单元，中体机身模型有280839个节点和164217个单元，结果如图3-3所示。

????边界条件的确定??

1.?十字头

分析十字头的边界条件，即分析十字头在压缩机运转时的受力和约束情况。在压缩机实际工作时，十字头在水平方向上所受约束主要来自通过螺纹连接的活塞杆，在水平方向上的合力与往复惯性力大小相等、方向相反。因为在压缩机运转的一个周期内，往复惯性力的大小、?方向呈周期性变化，所以在有限元分析过程中可以用往复惯性力来表示十字头的水平受力情况。由于该次静力学分析是为了观察十字头在极限情况下的应力分布情况和变形情况，所以对十字头施加的力为往复惯性力最大值的1.1倍，根据往复惯性力的计算公式和压缩机的主要设计参数可得该力大小约为?220kN，此时压缩机处于空载状态。

由中体动力部件的运动学分析可知，十字头水平方向所受的驱动力主要来自受连杆推动的十字头销，驱动力的作用平面为十字头的十字头销安装孔所对应的圆柱面。为更好地表现该力的作用方式，应选择轴承载荷，该载荷的特点是其径向分量是根据投影面积来分布压力载荷，而轴向分量则是沿着圆周均匀分布的。需要注意的是，由于十字头的两个十字头销安装孔所对应的表面受到的力是来自同一个十字头销，所以在施加轴承载荷时一定要保证这两个柱面都要选中。此外，由于十字头和活塞杆依靠螺纹连接，所以应在十字头的活塞杆安装孔对应圆柱面