（机械制造及其自动化专业论文）大型压缩机焊接机壳动态特性有限元分析.pdf

摘要 论文题目：大型压缩机焊接机壳动态特性有限元分析 学科专业：机械制造及其自动化 ， 研究生：穆生签名：智孝也 指导教师：肖继明副教授签名： 摘要 随着市场竞争的日趋激烈，产品生产正向多品种、小批量的方向发展。大型压缩机 的生产企业，为了缩短制造周期，降低生产成本，赢得市场，用焊接机壳替代传统的铸 造机壳已势在必行。本文通过对某型号大型轴流压缩机焊接机壳的动态有限元分析，研 究分析其动态特性，以便指导大型压缩机焊接机壳设计与优化。 论文在前期对大型轴流压缩机焊接机壳结构特点和静态有限元分析的基础上，通过 分析压缩机运行时的载荷变化，建立了适合动态有限元分析的焊接机壳模型。 通过对焊接机壳的模态分析，获得了其固有频率和振型等特性。通过对焊接机壳各 阶振型及应力云图分析可知，支承座与法兰的连接处，中腔与排气腔的连接处，进、出 风管与机壳的连接处，中分面法兰左右连接板的连接处等位置振幅及应力值较大。这些 位置可能是结构的危险点，是机壳设计与优化的关键部位。 结合压缩机的特定工况条件，分别进行了焊接机壳的热分析及瞬态动力学分析，获 得了焊接机壳各时刻的应力和变形云图，以及各关键点的瞬态应力曲线。通过对焊接机 壳的动态特性分析，指出了中腔壳体与排气腔左侧板连接处集中应力过大，超出了设计 要求；法兰厚度突变处，支承座与法兰连接处，出风管与机壳连接处等位置有明显的应 力集中。 通过焊接机壳的动态特性分析，提出在中腔与排气腔连接处增加过渡区。通过增加 过渡区机壳壁厚，改善中腔壳体与中腔侧板连接处尺寸的急剧变化，实现了减小该位置 处过大的集中应力。把原设计方案中的轴承箱支座向焊接机壳两端移动，使两个轴承箱 支座的外侧板与压缩机两端的端盖平齐；并根据压缩机两气腔容量大小需要，适当缩短 进气腔和排气腔的轴向长度等措施，大大提高了机壳中分面法兰的抗弯刚度。适当减小 排气腔的壁厚，使材料的性能得到了充分利用。通过改进方案与原设计方案的动态特性 对比分析，验证了改进方案的有效性与合理性。 关键词：轴流压缩机；焊接机壳；动态特性；热一应力耦合；瞬态有限元分析 t i t l e ：f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o fl a r g ew e l d i n g c a s in g m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i o n n a m e ：s h e n gm u s i g n a t ur e i 趁孕丛 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i m i n g x i a o a b s t r a c ts i g n a t u r e ：嘞 w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fd i v e r s i t ya n ds m a l lb a t c ho fp r o d u c t s ，t h es u b s t l t u t eo t t r a d i t i o n a lc a s tc a s i n gb yt h ew e l d i n gc a s i n gf o rl a r g ec o m p r e s s o r si st h er e q u i r e m e n td u e t o s h o r t 谢n gt h ep e r i o do fm a l 【i n g ，r e d u c i n gp r o d u c t i o nc o s ta n dw i n n i n g t h em a r k e t i nt h i s t h e s i s ac e r t a i nl a r g ea x i a lc o m p r e s s o rw e l d i n gc a s i n gw a sa n a l y z e db yt r a n s i e n t f i n i t e 。e 1 锄e n ta i l a l y s i s ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw a s r e s e a r c h e df o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n o f t h ee a s tc a s i n g o i lt h eb a s i so fr e s e 砌o ns t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s o nt h ew e l d i n gc a s i n go fl a r g e 戤1 a l c o m l ) r e s 娜孤dt h es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，l o a dv a r i a t i o n o ft h ec o m p r e s s o ru n d 贸 o p e r a t i o nc o n d i t i o na n a l y z e dt oe s t a b l i s hw e l d i n g e a s i n gm o d e lf o rt h ed y n a m i cf i n i t ee l 锄e n t a n a l y s i s b vt h em o d a la n a l y s i so fw e l d i n gc a s i n g ，n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d v i b r a t i o nm o d e i e s w 哦g a i n e d a n a l y z i n gt h ev i b r a t i o nm o d ea n d s t r e s sn e p h o g r a mo ft h ew e l d i n gc a s l n g ，t h a t 锄p l i t u d e sa n ds t r e s sv a l u ei sb i g g e r , s u c ha st h ec o n n e c t i o n s e c t i o n so fs u p p o r t i n ga n dc a s m g ， l ec o i l n e c t i o ns e c t i o n so fm e d i a lc a v i t ya n de x h a u s tc h a m b e r , t h ec o n n e c t l o ns e c t i o n s o t a i 卜i n t a k e ，t h ec o i m e c t i o ns e c t i o n so fa i r - o u t t a k ep i p e sa n dc a s i n g ，a n dt h e 1 e f ta n dn g h t c o 蚴砒o np l a t eo fm i d s p l i tf l a n g ea n ds oo n t h es e c t i o n s o ft h ec o n n e c t l o nc o u l db et h e d a n g e r o u sr e g i o n s ，w h i c hw e r et h ek e yp a r t st o d e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o rt h ew e l d i n g c a s i n g i na d d i t i o n ，u n d e rs o m es p e c i a lw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h eh e a ta n dt r a n s i e n ta n a l y s l sw e r e r e s p e c t i v e l yc a r r i e do u to nt h ew e l d i n gc a s i n g t h es t r e s s ，d e f o r m a t i o n c o n t o u r sa te a c n m o m e n t a i l dt m s i e n ts t r e s sc u r v e so ft h ed a n g e r o u sp o i n t so ft h ec a s i n gw e r eo b t a i n e d t h r o u 矾a i l a l y z i n gd y n a m i cp r o p e r t i e so fc a s i n g ，i tw a sd i s c l o s e dt h a tb i g g i s h c o n c e n t r a t e d s t r e s sw a si nt h ea r e ab e t w e e nt h ec a s i n go fm e d i a lc a v i t ya n d l e f tc o n n e c t i o np l a t eo fe x h a u s t c h 锄b e r t h i ss t r e s sr e a c h0 i o v e rt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t r e s sc o n c e n t r a t e dw a s f o u n d1 nt h e a r e ab e t w e e ns u p p o r t i n ga n df l a n g e ，b e t w e e na i r - i n t a k e ，a i r - o u t t a k ep i p e sa n dc a s i n g ，a n d t h e 西安j e _ r _ 大学硕士学位论文 l o c a t i o no ff l a n g et h i c k n e s sc h a n g ew e r et h ew e a k n e s sp a r t so ft h ew e l d i n g c a s i n g o nt h eb a s i so f d y n a m i ca n a l y s i sf o rt h ew e l d i n gc a s i n g ，t h i sr e s e a r c hc o n c l u s i o na n d s u g g e s t i o n sw e r eg i v e n m a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，b yp r o p e r l yi n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fc o n n e c t i o ns e c t i o nb e t w e e nm e d i a lc a v i t ya n d e x h a u s tc h a m b e r , a d o p t i n gt r a n s i t i o nc o n n e c t i o n ，t h er a p i dc h a n g eo fd i m e n s i o nc o u l db e a l l e v i a t e d s e c o n d ，t h e s em e a s u r e ，w h i c ht h eb e a r i n gb o x e ss u p p o r to ft h eo r i g i n a ld e s i g n s c h e m e ； w a s s h i n e dt ot w oe n d st o a l i g nt h eo u t s i d ep l a t eo fb e a r i n gb o x e sw i t ht w o c o m p r e s s o rc o v e r s ，a n dt h ea x i a ll e n g t ho fi n t a k ea n de x h a u s tc h a m b e r s w e r ep r o p e r l y s h o r t e n e d ，a c c o r d i n g t or e q u i r e m e n to fc o m p r e s s o rc a p a c i t y , g r e a t l yi m p r o v e dt h ef l a n g e b e n d i n gs t i f f n e s s r e d u c i n gs h e l lt h i c k n e s so fe x h a u s tc h a m b e rw a sn e c e s s a r yt om a k ef u l lu s e o fm a t e r i a lp r o p e r t i e s f i n a l l y , i m p r o v i n gs c h e m ei sv a l i d a t e dc o m b i n e dw i t hd y n a m i c p r o p e r t i e so nw e l d i n gc a s i n gi nt h eo r i g i n a ld e s i g ns c h e m ea n di m p r o v i n gs c h e m e k e yw o r d s ：a x i a lc o m p r e s s o r ；w e l d i n gc a s i n g ；d y n a m i ca n a l y s i s ；t h e r m a l s t r e s sc o u p l i n g ； t r a n s i e n tf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 。 独创性声二? 、明 ：秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明f ，本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，、论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 + +j 一 - 7 j 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说嘎并已致谢。 奉论文及其相关资料若有不实之处，4 由本人承担_ 切相关责任j ? 论享作毋签名妥+ 攀鎏霉：萋绛绷j 镬够 学位论文使用授权声明 謦纂霪猩霪一菇鬻警蠛，酌糍嘞碜宾碡訾妲攀；簌麟獬袭的骞臻囊鬓 爱轻茬西安趣i 津商请7 博毫沏警誓磷；燧参後菇榔交舞侮热两旁参爹；瓣擐避 ! 西妥锺茔髀拥肴摹谴语芟酌部分使用楗锑i i 劳誊获学位酌研牲鼙拳税规定褪建 翱莉瞌葫龟手戚学砬糟囊雾每棱翩零用彰蟛i 缝印彰其他_ 复神手砖谚砖彝譬善琴埘 孥位论囊甍j 萄以将学位论文的全部或部错内答编叁有关数据库进行捡索多鬻雾f 券教学和j ，旃薪舀+ 醺一：i 事莜亩l 复将签弃晶摹砬论葺交旃密屠醣尊磕瓷蠹传为蠡料柱匿，书碡磅夥蔓( j 等场所或在校园网点供校内师生阕谤耙鳝囊 本人孥位论文全都或部硅呙容的公希戈包括粕鹜爰，授权西妥埋蹦学磅究壁韶菇： ：，二。 浮t 泛傈密的学位论支在解密后毒适用本授权说醣舅 论文作暑签名：篆萎萄耋萏囊弹师签名；雾薹蘑亳墼薹谚譬一扭掺每 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景、意义 2 0 世纪中期，轴流压缩机才逐渐应用于工业生产中。因其具有效率高，工况调节范 围宽，灵敏度高，运行安全可靠等优点，高效率、大流量的轴流压缩机越来越多地应用于 以前被认为是离心压缩机的领域。除高炉鼓风、空分装置、催化裂化装置、硝酸四合一机 组、大型风源风洞等传统领域外，轴流压缩机的应用领域还在不断扩大，如c c p p ( 高炉 煤气燃气燃烧联合循环发电装置) 、电站、热压缩、液化天然气、制药、污水处理等领域， 为推动国民经济发展发挥着重要作用i l 吲。 随着现代工业规模的发展，能源的消耗大幅度增加，能源危机已经成为制约经济持续 发展的一大难题。环保、节能尤其成为大型设备关注的焦点。轴流压缩机是典型的大型耗 能设备，如果统一规格，不根据生产规模、行业差异等，做到量体裁衣，势必造成大量的 能源浪费。另外，随着经济的全球化，市场竞争日趋激烈，用户需求趋于多样化，单件i 小批量的市场需求已越来越明显，大型设备更是如此。因此，企业必须反应快捷、灵敏， 最大限度地降低生产成本。然而，铸造生产过程因工序繁多复杂，铸件质量差，效率低， 能耗高，成本高，产品生产周期长，环境污染严重等，铸造的特点使单件、小批量的大型 构件生产无法适应市场需求。 焊接的特点使焊接在单件、小批量生产中占明显优势，并且越是大型产品采用焊接结 构越具有优势。焊接成品率高，一旦出现焊接缺陷，修复容易，很少产生废品。另外；焊 接结构可根据结构服役及设计的需要，在不同的部位采用不同材质或不同级别的材料，也 可采用不同厚度的材料，从而节省材料，发挥材料的最大效能，使结构也更为轻巧，降低 成本，缩短生产周期、提高生产效率、加快市场反应速度。并且随着冶金及材料科学的发 展，计算机及网络技术的广泛应用，材料连接的理论及焊接制造技术得到了空前迅猛的发 展。焊接技术现已成为制造业的重要加工工艺技术。越来越多的设备和产品在生产中都不 同程度地依赖焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，如能源、交通、航空航天、 建筑工程、电气工程、微电子等。 然而，随之而来的焊接结构残余变形也一直困扰着焊接界。焊接变形的存在不仅造成 了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加 弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的 原因之一。早期k a r l s s o nl 和m a s u b u c h ik 等专家建立了许多焊接热弹、塑性有限元分 析的数学模型 4 , 5 1 ，后来t e n g tl 用热弹、塑性有限元法分析了角接头焊缝的温度场、焊 接变形以及残余应力分布情况【6 ，7 】。该方法能全面跟踪模拟焊接的整个过程，能全面地考 虑到焊接过程中的传热问题、塑性变形问题、应变问题和应力问题，但其致命的缺点是计 西安理工大学硕士学位论文 算过程复杂、收敛困难、计算时间长、效率低，所以很难应用到大型复杂结构件整体的焊 接变形和残余应力分析中。 日本学者u e d ay 在前人基础上，提出了针对大型复杂焊接结构件焊接变形分析的固 有应变法，并将此方法应用到实际分析中【8 - 1 0 。固有应变法计算效率极高，非常适合复杂 实体结构件焊接变形预测分析，并且分析精度完全能够达到工程要求。d a n i e w i c zsr 利 用固有应变法成功的预测了大型船体结构焊接变形f 1 1 1 。后来又有学者将该方法应用到轿 车车架、船体焊接等结构焊接变形预测等方面，均取得了一定的预期效果【l 2 1 3 】。 在压缩机的铸造机壳改为焊接机壳过程中，结构发生了较大变化，大量使用加强筋板， 不同厚度的板壳、梁，以及焊缝缺陷等使焊接机壳分析设计困难重重。以往的铸造机壳设 计忽略了不是特别显著的应力因素，采用以增大安全系数，留有足够的安全裕度为特征的 常规设计。常规设计从本质上讲，可以说是基于经验的设计方法。以塑性失效、弹塑性失 效准则为基础的分析设计，是工程力学紧密结合的产物，它可以解决大型复杂焊接结构常 规设计所不能解决的问题，也是设计观念与方法上的一个飞跃。它需要以详尽的应力分析 报告为设计依据。分析设计充分地发挥了材料的承载能力。随着材料、制造、检测技术的 发展，这些都为分析设计的实施与发展创造了良好的条件。更重要的是计算技术的突飞猛 进，有限元方法的出现、各种功能软件的推广使用，为大型复杂焊接结构应力分析计算提 供了重要手段。所有这些都为分析设计发展奠定了基础，使大型复杂焊接结构进行分析设 计成为可能。 二 1 2 大型压缩机焊接机壳的发展及现状 在上世纪7 0 年代，国外一些生产透平机械的著名公司已经开始对大型压缩机焊接机 壳进行研究。爱利奥特公司是美国生产透平机械的主要公司之一，从1 9 6 6 年起，发展的 焊接结构机壳，已在各种大流量、高压离心压缩机上广泛应用。德拉瓦公司和阿里斯一查 摩斯公司也先后开始了焊接机壳在离心压缩机上的应用。近些年，阿里斯一查摩斯公司生 产的大型压缩机多采用肋板式钢板焊接机壳【1 4 】。 国内压缩机机壳，长期以来一直采用铸造成型技术。从1 9 9 2 年开始，沈阳鼓风机厂 开始对焊接机壳的制造技术研究。在没有国内外的资料可借鉴和参考情况下，经过反复的 研究、摸索和近三十台样机的制造尝试，通过不断完善、总结，创造性地提出了焊接机壳 “一、四拼装法的拼装操作规范。并成功地应用于3 6 9 x 3 0 8 3 8 4m ，总重达3 4 x 1 0 4k g 的2 m c l l 0 0 5 离心压缩机的焊接机爿1 5 】。大型压缩机焊接机壳的研制成功是我国离心压 缩机设计及制造工艺的重大突破，标志着其工艺水平步入了一个新台阶。目前，该项制造 技术已经应用在了各种类型的鼓风机及离心式压缩机机壳生产制造中。 “十一五国家科技支撑计划重点项目工业电机及典型泵阀节能关键技术研究中 第九课题大型高炉能量回收透平机组关键技术研究主要研究内容包括大型焊接机壳强 度计算及结构设计等技术难关。 2 1 绪论 国内生产轴流压缩机的主要厂家陕西鼓风机厂，在上世纪8 0 年代引进瑞士苏尔寿公 司轴流压缩机制造技术基础上，加大技术改进和自主设计创新。至上世纪9 0 年代已经实 现了轴流式压缩机的完全国产化。并在进入2 1 世纪初，开始了对轴流式压缩机焊接机壳 的研究开发。轴流压缩机具有效率高，容量大，体积庞大等特点。一般轴流压缩机体积较 离心式压缩机大3 倍左右，在实现铸造机壳向焊接机壳转化过程中，比离心式压缩机焊接 机壳难度更大。 目前，国内某风机生产厂家对大型号轴流压缩机焊机机壳进行了研发设计，并利用有 限元软件对焊接机壳进行了静态有限元分析【1 6 1 7 1 ，以检验其强度和结构设计的合理性。 但压缩机在运行时，机壳不仅承受静态载荷，还承受交变载荷和随机干扰载荷，如转子在 高速旋转时引起的偏心载荷对机壳产生的振动就不容忽视等。此外，压缩机排风量及压力 随着工艺要求不断变化，也不可避免地使机组产生振动。如果压缩机排风量在瞬间变化幅 度较大，甚至会引起机组强烈的振动和破坏。因此，对大型压缩机焊接机壳进行动态特性 的分析，有助于其结构改进和优化，以满足不同工况的使用要求。 目前，铸造机壳生产中均采用侧向支撑方案。侧向支撑对增强中分面法兰刚度起着重 要作用。这也是目前机壳采用侧向支撑的主要原因，但是在运输过程中带来诸多不变。而 轴向支撑可以减小机壳横向宽度，采用轴向支撑一直是厂家所希望的，但刚度设计较困难。 1 3 有限元方法及其应用现状 1 3 1 有限元方法的发展 有限元方法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是求解各种复杂数学物理问题的重要方 法，是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。 2 0 世纪中叶，航空领域对飞机性能的要求不断提高，特别在对飞机结构强度、刚度 等方面，人们不得不进行精确的设计和计算。f e m 在此时逐渐形成，并得到迅速发展。 最早，研究者只能利用矩阵力学分析法解决一些简单的力学问题【l 睨0 1 ，1 9 4 3 年，c o u r a n t 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文【2 1 1 。开创了有限元分析 的先河。1 9 6 0 年美国的c l o u g h 在处理平面弹性力学问题时，第一次提出并使用了f e m 的名称1 2 2 1 。随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问题、热传 导问题、非线性和大变形等复杂问题【2 3 1 。1 9 6 5 年，冯康【2 4 】发表了著名的论文基于变分 原理的差分格式，研究了有限元分析的精度与收敛性问题。接下来的几十年里，f e m 开 始应用到结构分析、流体问题、热传导问题、非线性和大变形问题等方面，解决了一些较 复杂的问题【2 5 0 0 1 。但由于受到计算机性能的限制，f e m 的应用范围十分有限。2 0 世纪末， 随着计算机性能的飞速发展，f e m 开始成为工程分析中数值计算的主要方法之一。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 3 2 有限元方法的应用 经过多年的发展，f e m 的应用已从最初的弹性力学问题扩展到空间问题和板壳问题； 由静力平衡问题扩展到了稳定性问题、动力学问题和波动问题。可分析计算的问题涵盖诸 多方面，包括结构强度和刚度计算、热分析、振动分析、流体分析和多场耦合分析等。 目前，国际上有9 0 的机械产品和装备都要采用f e m 进行分析，进而进行设计修改和 优化。f e m f 丁, 经成为替代大量实物实验的数值化“虚拟实验”( v i r t u a lt e s t ) 。基于f e m 的大量计算分析与典型的验证性实验结合，可以做到高效率和低成本。近年来，随着电子 计算机技术的迅速发展，数值分析在弹性力学中的作用更为突出，一些复杂问题已很容易 得到数值解l j 。 谢永慧等f 3 2 】通过用f e m 对汽轮机高压缸的气密性及叶片的静态和动态应力分析，得 到了理想的改进参数：邓博f 3 3 】用f e m 模拟了汽轮机气缸壁的温度场分布和热膨胀情况； 蒋康涛【3 4 1 用f e m 对低速轴流压缩机进行了数值分析，探索了旋转失速原理；曾祥坤等【”】 用f e m 对青藏铁路客车车体进行了分析计算，建立了车体结构模型，在各种工况下进行 了计算机模拟，得出了客车车体可安全使用的结论：邹泽雄等【3 6 】用f e m 对青藏高原多年 冻土区站场路基温度场进行了模拟，发现了路基受温度影响所存在的问题；董兆伟等p 7 j 用f e m 进行了刀具磨损对工件质量影响的仿真分析，得出了刀具参数对切削力和加工表 面质量的影响规律。由此可见，在工程实际和研究中，f e m 具有广阔的应用前景和重要 的指导价值。 1 4 本文的主要研究内容 本文以某大型轴流压缩机的焊机机壳为例，用f e m 对大型焊接结构件的动态特性进 行研究。具体研究内容如下： 1 ) 对大型轴流压缩机焊接机壳结构特点，及轴流压缩机在各种工况下机壳受载进行 分析。参考前期对机壳静态有限元分析结果，对焊接机壳进行合理简化，建立适合动态有 限元分析的几何模型； 2 ) 用a n s y s 有限元分析软件，对焊接机壳的几何模型进行离散，建立机壳的有限 元模型。并根据压缩机的特定工况条件，对机壳进行模态分析，获得其固有频率和振型等 特性。通过对焊接机壳振型及应力云图分析，确定机壳可能发生危险的薄弱环节，为机壳 的动态分析确定分析的关键位置。 3 ) 进一步结合压缩机的特定工况条件，分别对焊接机壳进行热分析及瞬态动力学分 析，获得焊接机壳各时刻的应力和变形云图，以及各关键点的瞬态应力曲线。通过机壳动 态特性的分析，确定焊接机壳的薄弱环节，并分析其产生的原因。 4 ) 提出机壳结构的改进方案，并根据改进方案进行有限元分析。对比分析机壳改进 前后的动态特性，验证改进方案的合理性。 4 2 轴流压缩机焊接机壳有f 民- , - l 模型建立 2 轴流压缩机焊接机壳有限元模型建立 2 1 有限元法理论概述 f e m 是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，是处理各种复杂工程问题的重要分 析手段，也是进行科学研究的重要工具。 f e m 的基本思想是将问题的求解域化分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单 元内部点的待求量可由单元节点参数通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单， 易于由平衡关系或能量关系建立节点参数之间的方程式，然后将各个单元方程“组装 在 一起而形成总体刚度方程，结合边界条件进行求解。一般单元划分越细，计算结果就越精 确。同时计算规模也会增加。精度和规模是一对相互矛盾的因素【3 8 】。 有限元分析计算的步骤可归纳如下： a 结构的离散化 结构的离散化就是将分析的结构体划分为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节 点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原来 的结构。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算精 度而定： b 选择位移模式 在完成结构的离散化之后，就可以对单元进行特性分析。在有限元法中，选择节点位 移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点 力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在 有限单元法中位移法应用范围最广。为了能用节点位移表示单元体内的位移、应变和应力， 在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标 的某种简单函数，这种函数称为位移模式或插值函数。选择适当的位移函数是有限单元法 分析中的关键。通常选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算( 微分和 积分) 比较方便，并且由于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼近，至于多项式的项 数和阶次的选择，则要考虑单元的自由度和解的收敛性要求，一般来说，多项式的项数应 等于单元的自由度数，它的阶次应包括常数项和线性项等。单元的自由度是指单元节点独 立位移的个数。根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任意一点位移的 关系式，其矩阵形式是 缸) = 】 万) 。 ( 2 1 ) 式中 u ) 单元位移列阵； 6 ) l 节点位移列阵；【n 】形状函数矩阵。 c 分析单元的力学性质 西安理工大学硕士学位论文 位移模式选定以后，根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等， 进行单元的力学特性分析，包括三部分内容： ( 1 ) 单元应变场的表达利用几何方程，由单元位移表达式( 2 1 ) 导出节点位移表 示单元应变的关系式： 占) = 陋】 艿) 。 ( 2 2 ) 式中 e 卜一单元应变列阵；【b 】几何函数矩阵。 ( 2 ) 单元的应力场表达式利用本构方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出节点位移表 示单元应力的关系式： 田= 叫忙 = d 】【县】 研。 ( 2 3 ) 式中 盯) 单元应力列阵；【d 卜一单元材料的弹性系数矩阵。 ( 3 ) 单元的刚度方程利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间 的关系式，即单元的刚度方程： p ) 。= 隧】8 万) 。 ( 2 4 ) 式中 】。= j m 刎7 p 【剀d q ； k l 单元刚度矩阵。 d 建立整体刚度方程 按单元的位移自由度所对应的位置进行组装可以得到整体刚度矩阵，改组装过程可以 写成 k ：y 七( ) ( 2 5 ) 冒 由所得到的整体刚度矩阵( 2 5 ) 式、载荷列阵 p ) 以及整个物体的结点位移列阵 6 ) 表示整体刚度方程： 瞄】 占) = 竹 ( 2 6 ) 这个方程还应考虑几何边界条件后，才能够解出所有的未知结点位移。 e 求解未知节点位移 整体刚度方程( 2 6 ) 联立边界条件解出未知位移o 这里，可以根据方程具体特点选 择合适的计算方法。 f 计算单元应力 最后可利用公式( 2 _ 3 ) 和已求得的节点位移计算各单元的应力，并加以整理得出想 要的结果。 2 2 轴流压缩机焊接机壳的结构特点 本次研究所用轴流压缩机焊接机壳结构模型由国内某大型风机生产企业的大型轴流 2 轴流压缩机焊接机壳有限元模型建正 址缩机焊接机壳结构强度与焊接结构分析项f i 提供。日前，大型轴流式压缩机机壳多采 用铸造成形结构材料采用h t 2 5 0 。图2 1 所示为一款轴流压缩机的实物照片。机壳采用 铸造成形结构时由于铸造缺陷难以避免，设计时安全系数一般均取值较人，因而结构笨 重，材料消耗大，生产成本高；采用焊接结构时则可根据机壳的服役条件需要，在不同部 位通过采片j 不同性能的材料或厚度，充分发挥材料的效能，有利于节省材料，降低生产成 本【1 4 ”j 。图2 - 2 所示为试验用某型号轴流压缩机焊接机壳外形轮廓模型。 幽2 - 1 轴_ j ；i 乐缩机的铸造机壳 f i g2 1 a x i a l - f l o wc o m p r e s s o rc a s tc 踮i n g 圈2 2 轴流压缩机焊接机壳模型 f i g2 。2 t h es t r u c t u r a l m o d e lo f a x i a l 。f l o wc o m p r e s s o r w e l d i n ge a s i n g 该型引玉缩机焊接机壳为中42 x 96 x 49m 。机壳采用水平削分式，上下机壳通过中分 面法兰_ j 螺栓连接。 西安理i 大学硕士学位论乏 轴流压缩机机壳魁片j 柬安放和吲定压缩机的载体，其内部结构如图2 ，3 所示。机壳 要山进气腔、中腔和排气腔= 部分组成。叶”转子支承7 f 两侧轴承箱山的轴承l ，轴承箱 安装于轴承箱支睦上；增压缶1 与承缸的右端相连，通过承缸支承座作用j 4 p 腔两侧。t 体 通过进气管进入气腔，经胍缩后，通过增脏缸、排气腔和排气管排出。 轴币箱进气腔 # | 乐缸埔m 虮 撸1 舵 轴承箱 幽2 - 3 焊接机壳轴流压缩机结构而意l 划 f i g2 3 t h es i l 、l c t u r a l m o d e o f a x i a lf l o wc o m p w s s o r w e l d i n gc a s i n g 焊接机壳采用3 0 1 6 0厚的钢板，2 - f 两部分通过沾兰州螺栓连接。生侧连拉扳 旱艘为1 2 0 m m ，右侧连接扳厚度为1 4 0 n u n 。法兰皇吉构立幽2 - 4 所示。机壳通过曲侧支承 座与基座连接。 沾! j t 接扳 ! fr 连接扳 剀2 _ 4 中分叫上r 洼兰结构 f i g2 4t h es t cl u t co f u p p e r a n d l o w e rh o r i z o nl a lf l a n g e j二 2 轴流压缩机焊接机壳有限元模型建立 2 3 焊接机壳的主要技术参数 2 3 1 机壳载荷与边界条件 压缩机在运行时，机壳要承受静载荷、交变载荷和随机干扰激励的作用；由于压 缩比很大，压缩机长时间运行后，机壳温度会显著升高。当压缩机排气腔温度升至2 0 0 以上时，进气腔一侧的机壳温度仍在1 0 0 以下，这样就使得机壳两侧温差很大，从而导 致机壳产生很大的热变形和热应力：转子在高速旋转时引起的偏心力( 矩) 会对机壳产 生影响；因生产工艺的需要，压缩机排风量及压力会不断变化，使机壳产生振动。如果 排风量瞬间大幅度减小，甚至会引起喘震、剧烈振动等。 在建立机壳有限元模型时，需将作用在壳体上的外载荷简化为等效载荷进行加载。支 承缸、增压缸和调节缸等的重力载荷，以集中载荷形式加载：机壳本身的重力载荷，在有 限元分析时，通过对材料密度及重力加速度等参数的设定进行 加载。 压缩机排风量瞬间大幅度减小时，常会引起排气腔的压力 急剧升高，压缩机剧烈振动甚至会引起喘震。压缩机在排风量 瞬间大幅度减小的特定工况下机壳受载情况如下： ( 1 ) 转子重量5 0 x 1 0 4k g ，安装于机壳两侧轴承箱的轴承 座中。转子高速旋转时，离心力使得轴承对转子的支反力产生 周期性变化。偏心距及转速大小决定支反力的方向和位置。转 子受力示意图如2 5 所示。转子受力平衡方程： g 图2 5 转子受力示意图 f i g 2 - 5 t h ea n a l y s i so f f o r c e so nt h er o t o r 互c o s o l + f 2c o s 0 2 - g = 0 ( 0 。 0 2 3 6 0 。) ( 2 7 ) 互s i n o l + f 2s i n 0 2 = 0 ( 2 8 ) 肌- ( 2 霄n ) 2 e 2 = f 2 ( 2 9 ) g = m g 2 ( 2 1 0 ) 式中用一轴承对转子的支反力( n ) ；r 一向心力( n ) ； m 一转子质量( k g ) ；r 转子偏心距( m ) ；咒一转子转速( r s ) ； 口l 支反力r 与垂直方向夹角( o ) ；口广向心力，2 与垂直方向夹角( o ) 。 转子转速3 0 0 0r m i r a 转子偏心距为1 0 5 1 0 巧m m 。代入2 9 式联立方程式2 7 、2 8 、 2 1 0 计算出转子旋转一周的轴承支反力局及支反力的位置。 ( 2 ) 承缸( 2 x 1 0 4k g ) 、调节缸( 5 x 1 0 3k g ) 、增压缸( 5 x 1 0 3k g ) 所受重力，通过中 腔两侧的支撑加载到机壳上； ( 3 ) 压缩机运行工作时，因生产工艺对风量、风压及送风时间的要求不断变化，高 9 西安理工大学硕士学位论文 压腔内的压力波动不可避免。根据厂家提供的排气腔的空气压力函数，选择压力函数的特 定时间段加载在排气腔内表面。排气腔压力为o 5 0 7m p a ，进气腔约为o 1m p a ： ( 4 ) 进气腔空气温度为- - 4 0 1 0 0 c ，排气腔空气温度为2 0 肌3 0 0 ；机壳外表面为 自然对流换热，内表面为强制对流换热；根据机壳表面形状、环境温度等，计算出空气的 自然对流换热系数1 3 9 】。机壳表面空气自然对流换热系数表如表2 1 所示： 表2 - 1 机壳表面空气自然对流系数 t a b 2 1f r e ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fa i ro ns u r f a c eo fc a s i n g ( 6 ) 机壳通过其左右四个支承座用螺栓连接在机座上。简化螺栓联接为四个支承座 底面约束。 ( 7 ) 进、出口管道受力示意图如图2 - 6 。 1 03 05 07 0 力矩k n 穗 图2 - 6 进出口管道法兰最大允许作用力和力矩 f i g 2 - 6 f o r c e sa n dt o r q u e so ni m p o r ta n de x p o r tf l a n g e 2 3 2 焊接机壳的材料属性 机壳材料为1 5 m n v ，由前面的分析知，压缩机长时间工作时，机壳有不同的温度分 布，最高可达2 0 0 4 c 以上。表2 2 为机壳材料在不同温度下的物理机械性能。 表2 - 2 机壳材料物理机械性能 t a b 2 2 p r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lu s e dc a s i n g 如 如 如 m z 警r 2 轴流压缩机焊接机壳有限元模型建立 2 4 压缩机机壳有限元模型建立 2 4 1 几何模型的简化 轴流式压缩机焊接机壳以板壳和梁连接为主，安装在机壳上的辅助部件要求较多的突 缘、加强筋板、小孔等。如果机壳的几何模型不经简化就直接转为有限元模型进行网格划 分，几乎是不可行。本次研究机壳简化遵循以下原则进行： ( 1 ) 建模时忽略安装辅助构件的小孔，很小的凸台、倒角等小特征； ( 2 ) 建模时忽略用于装配压缩机承缸、增压缸，调节缸等的螺栓孔等对结构力学性 能影响较小的特征； ( 3 ) 忽略上下壳体的螺栓连接特征，上下法兰视为一体；忽略支承座的螺栓连接特 征，在有限元的分析中加载理想的位移约束； ( 4 ) 尽量保持和压缩机焊接机壳的结构设计一致，以真实反映零部件的结构特征。 按上述简化原则，根据生产厂家提供的机壳图纸，考虑各种工况下的载荷情况，并参 靠前期机壳的静态有限元分析结果对机壳简化建立适合动态有限元分析的模型。模型如图 2 7 所示。 2 4 2 单元类型选择 如前所述，机壳由大量3 0 - - , 1 6 0n i l 1 厚的板壳组成，采用焊缝连接。由于机壳所受载 荷复杂及焊缝形状复杂、多样等，板壳截面的应力分布有很大的不同。因此不能简单选择 壳和梁单元结合的网格划分。本研究选择实体单元，其力学特性能够很好地与实际结构相 符合，且便于对结构进行细化处理，最大限度地使有限元模型与实际结构相类似。另外， 由于机壳结构复杂，单纯的六面体单元划分很难进行，而四面体单元的自由网格划分模型 计算规模庞大，不利于动态有限元分析，所以选择六面体单元和四面体单元不同实体单元 混合划分的方法。这样既回避了四面体单元的自由网格划分模型计算量大的缺点，又解决 了六面体单元网格划分的对几何形状要求严格的问题。就机壳网格划分所采用的实体单元 属性描述如下： ( 1 ) s o l i d 4 5 单元的数学描述：s o l i d 4 5 单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着x 、y 和z 方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、 膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。s o l i d 4 5 单元的更高阶单元是s o l i d 9 5 。 ( 2 ) s o l i d 9 2 单元的数学描述：s o l i d 9 2 有二次方位移，能很好划分不规则实体。 此单元由十个点定义，每个节点有三个自由度：节点x 、y 和z 方向位移。并且单元有可 塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力。 ( 3 ) s o l i