（机械工程专业论文）压缩机焊接机壳的水压试验分析与研究.pdf

轴 参r b0s ： 、 謦1 秘 n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 妊鼍f矗打静n&_kr ，p 一 乙 。；j 匕i j p l r j 。各。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：c 巴 思0 学位论文作者签名：余舀吃亍 日期： 盖。习；( ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 一 l、 土r - i 、 中叶止鬻 r 、 q ，l “ 10毒 ：j。一 。；一一-一 1 j 弋 j 东北大学硕士学位论文摘要 压缩机焊接机壳的水压试验分析与研究 摘要 随着百万吨乙烯裂解装置配套压缩机组国家重大项目的签定，使得沈鼓集团 在大型乙烯裂解装置国产化道路上又迈出了重要的一步。对于这一重大科研项目， 压缩机设计、制造的好坏直接关系到项目能否取得成功。在这之前，我们也过加 工大型压缩机的成功经验，但对于该目还是首次，选择合适的压缩机焊壳对于该 项目有着重大的意义。因此在这一背景下，需要对焊接机壳进行整体的强度分析， 找出缺陷和不足之处，以便在今后的设计过程中加以完善。 本课题主要是通过对机壳焊壳进行水压试验，测试出机壳各部位，如进出风 口、中分面法兰、中分面把合螺栓孔等部位在内压作用下的应力、应变随着内压 增加而变化的情况，从而获得第一手实际测出的应力、应变值，同通过有限元分 析经理论计算得出的各部位应力、应变值进行对比，从而为今后设计、制造百万 吨乙烯装置用压缩机组提供理论和实际依据。本论文讲述可归纳为如下几点： ( 1 ) 离心压缩机简介。 ( 2 ) 离心压缩机的力学分析。 ( 3 ) 离心压缩机的水压试验基础。 ( 4 ) 2 m c l 9 0 7 焊接机壳整体强度分析。通过有限元分析机壳在不同部位的 应力情况，从而确定危险部位，为压缩机的设计提供参考，也为下一步贴片提供 位置。 ( 5 ) 模拟实际压力对机壳进行应力计算。 ( 6 ) 根据以上提供的数据进行机壳静强度水压试验，并进行贴片实际测量， 测出危险部位的应力、应变值，从而验证理论计算的正确性，从而确定该机壳能 够满足机组本身的设计要求。 关键词：离心压缩机；水压试验；有限元分析；应力应变 慧 东北大学硕士学位论文 h y d r a u l i ct e s ta n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rc o m p r e s s o r w e l d i n gc a s i n g a bs t r a c t s h e n y a n gb l o w e rw o r k s ( g r o u p ) h a ss t e pt oa n o t h e ri m p o r t a n t s t a g e f o r n a t i o n a l i z el a r g ee t h y l e n ec r a c ku n i ta f t e re v a l u a t i o nf o r o n em i l l i o nt o n se t h y l e n e c r a c kc o m p r e s s o r g o o d n e s so rb a do fd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go ft h i sk i n do f c o m p r e s s o ra r ed i r e c t l ya f f e c t e dt h i si m p o r t a n c e s c i e n c er e s e a r c h s e l e c ts u i t a b l e c o m p r e s s o rc a s i n gi sv e r yi m p o r t a n tt ot h i sp r o j e c te v e ns b wh a sd o n es i m i l a rc a s i n g b e f o r e ，b u tf o rt h i sk i n do fc o m p r e s s o ri sf i r s tu n i tt os b w s ow em u s ta n a l y s i s c o m p l e t ew e l d i n gc a s i n gs t r e n g t h ，f i n do u td e f e c t i o na n dw e a k n e s s ，i m p r o v e di nf u t u r e d e s i g n t h i sa r t i c l em a i n st oc h e c ks t r e s sa n ds t r a i nf o rc a s i n ge a c hp a r t ，s u c ha si n l e ta n d o u t l e t ，s p l i tf l a n g e ，s p l i ts u r f a c ec o n n e c t i n gb o l th o l ec h a n g e du n d e ri n n e rp r e s s u r e i n c r e a s et h r o u g hw e l d i n gc a s i n gh y d r a u l i ct e s t ，t h e ng e ta c t u a ls t r e s sa n ds t r a i nd a t a ， c o m p a r i n gw i t h e a c hp a r ts t r e s sa n ds t r a i nw i t hl i m i te l e m e n t a n a l y s i st h e o r y c a l c u l a t i o n ，a f t e rt h i sw o r k ，w ec a ng e tt h e o r e t i c a la n da c t u a ld o c u m e n tt od e s i g na n d m a n u f a c t u r i n ge t h y l e n eu n i tc o m p r e s s o r c o n t e n ti st h i sa r t i c l ec a l lc o n c l u d ei n t o f o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) i n s t r u c t i o no fc o m p r e s s o r ( 2 ) f o r c ea n a l y s i so fc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ( 3 ) h y d r a u l i ct e s tb a s eo fc o m p r e s s o r ( 4 ) c o m p r e s s o rw e l d i n gc a s i n gw i t ht y p e2 m c l 9 0 7c o m p l e t es t r e n g t ha n a l y s i s d e c i d ed a n g e r o u sp o s i t i o nt h r o u g hl i m i te l e m e n ta n a l y s i sc a s i n gs t r e s sc o n d i t i o no f d i f f e r e n tp a r t ，t h i sc a nh e l pf o rc o m p r e s s o rd e s i g n ，a n dd e c i d ee x a c tp o s i t i o nf o r f u r t h e ra d d s p e c i a ls t r e s ss e n s i t i v ep a r to ne a s i n g ( 5 ) s i m u l a t ea c t u a lp r e s s u r ea n dd os t r e s sc a l c u l a t i o nf o re a s i n g ( 6 ) p e r f o r me a s i n gs t o i cs t r e n g t hh y d r a u l i ct e s ta c c t oa b o v ed a t a ，a n dd oa c t u a l m e a s u r ew i t ha d ds p e c i a ls t r e s ss e n s i t i v ep a r t ，t h e nm e a s u r es t r e s sa n ds t r a i nv a l u eo f i i i ，；kf t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d a n g e r o u sp o s i t i o n ，t h e nv e r i f yt h e o r yc a l c u l a t i o nc o r r e c to rn o t ，t h e nd e c i d ei ft h i s c a s i n gc a l lm e e tu n i td e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d ：c e n t r i f u g a l ，h y d r a u l i ct e s t ，l i m i te l e m e n ta n a l y s i s ，s t r e s sa n ds t r a i n i v ， ，b庸 ，j 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 离心压缩机简介及发展现状1 1 1 1 离心式压缩机的应用1 1 1 2 离心压缩机的种类2 1 1 3 离心压缩机的工作原理2 1 1 4 离心压缩机的基本结构3 1 2 项目研究的背景3 1 3 本课题研究的主要内容和意义4 1 3 1 本课题研究的主要内容4 1 3 2 本课题研究的意义。5 第二章离心压缩机的力学分析6 2 1 概j 苤：6 2 2 应力、应变和应力应变曲线6 2 3 许用应力和安全系数7 2 4 复杂应力状态和强度理论7 2 5 有限元分析对结构进行应力、变形等静强度分析的步骤9 2 6 有限元分析概述9 第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析一1 2 3 1 焊壳整体结构概述1 2 3 2 焊接机壳整体强度分析1 4 3 2 1 整体分析条件1 4 3 2 2 压缩机整体强度分析1 5 第四章2 m c l 9 0 7 机壳力学计算。2 1 4 1 简介2 1 4 2 计算模型2 1 v 、f zif 东北大学硕士学位论文 目 录 4 3 计算结果2 2 4 3 13 m p a 内压下的壳体强度分析一2 2 4 3 2 螺栓接触应力分析2 8 4 3 3 更高内压的计算结果3 1 4 4 结论3 3 彳 第五章水压试验的技术基础3 4 5 1 水压试验概述3 4 5 2 水压试验的密封3 4 5 3 水压试验的方法及步骤：3 6 第六章2 m c l 9 0 7 机壳静强度水压试验3 8 6 12 m c l 9 0 7 机壳水压试验大纲3 8 6 1 1 试验目的3 8 6 1 2 试验内容3 8 6 1 3 试验方案3 8 6 1 4 检测条件3 8 6 22 m c l 9 0 7 机壳静强度试验报告。3 9 6 2 1 试验目的3 9 6 2 2 试验项目3 9 6 2 3 试验载荷及工况3 9 6 2 4 测试系统及测点布置：3 9 6 2 5 数据处理方法4 2 6 2 6 机壳静强度评定标准4 3 6 2 7 试验结果4 3 6 2 8 试验结论5 6。 第七章结论与展望。5 7 参考文献58 致谢61 v i 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 帚一早珀下匕 1 1 离心压缩机简介及发展现状 1 1 1 离心式压缩机的应用 离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机( 即透平式压缩机) 。在离心式压缩机 中，高速旋转的叶轮给予气体的离心力作用，以及在扩压通道中给予气体的扩压 作用，使气体压力得到提高。早期，由于这种压缩机只适于低，中压力、大流量 的场合，而不为人们所注意。但近来，由于化学工业的发展，各种大型化工厂， 炼油厂的建立，离心式压缩机就成为压缩和输送化工生产中各种气体的关键机器， 而占有极其重要的地位。随着气体动力学研究的成就使离心压缩机的效率不断提 高，又由于高压密封，小流量窄叶轮的加工，多油楔轴承等技术关键的研制成功， 解决了离心压缩机向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心式压缩机的 应用范围大为扩展，以致在很多场合可取代往复压缩机，而大大地扩大了应用范 围。工业用高压离心压缩机的压力有( 15 0 3 5 0 ) 1 0 5 p a 的，海上油田注气用的 离心压缩机压力有高达7 0 0 1 0 5 p a 的。作为高炉鼓风用的离心式鼓风机的流量有 大至7 0 0 0 m 3 m i n ，功率大的有5 2 9 0 0 k w 的，转速一般在1 0 0 0 0 r m i n 以上。 有些化工基础原料，如丙烯，乙烯，丁二烯，苯等，可加工成塑料，纤维，橡 胶等重要化工产品。在生产这种基础原料的石油化工厂中，离心式压缩机也占有 重要地位，是关键设备之一。除此之外，其他如石油精炼，制冷等行业中，离心 式压缩机也是极为关键的设备。 离心式压缩机之所以能获得这样广泛的应用，主要是比活塞式压缩机有以下一 些优点。 ( 1 ) 离心式压缩机的气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面 积小。 ( 2 ) 运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护 费用及人员少。 ( 3 ) 在化工流程中，离心式压缩机对化工介质可以做到绝对无油的压缩过程。 ( 4 ) 离心式压缩机为一种回转运动的机器，它适宜于工业汽轮机或燃汽轮机 直接拖动。对一般大型化工厂，常用副产蒸汽驱动工业汽轮机作动力，为热能综 1 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 合利用提供了可能。但是，离心式压缩机也还存在一些缺点。 ( 1 ) 离心式压缩机目前还不适用于气量太小及压比过高的场合。 ( 2 ) 离心式压缩机的稳定工况区较窄，其气量调节虽较方便，但经济性较差。 ( 3 ) 目前离心式压缩机效率一般比活塞式压缩机低。 我国在五十年代已能制造离心式压缩机，从七十年代初开始又以石油化工厂， 大型化肥厂为主，引进了一系列高性能的中、高压力的离心式压缩机，取得了丰 富的使用经验，并在对引进技术进行消化、吸收的基础上大大增强了自己的研究、 设计和制造能力。 1 1 2 离心压缩机的种类 离心压缩机的种类繁多，根据其性能、结构特点，可按如下几方面进行分类。 表1 1 离心压缩机的种类 t a b l e1 1a l lk i n d so fc o m p r e s s o r 1 1 3 离心压缩机的工作原理 汽轮机( 或电动机) 带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩 到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作 轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去， 2 ，0；ll坤 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 从而保持了气压机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大 的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步 增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来 工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过弯通，回流器来实现。 这 就是离心式压缩机的工作原理。 1 1 4 离心压缩机的基本结构 离心式压缩机由转子及定子两大部分组成。转子包括转轴，固定在轴上的叶 轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有机壳，定位于机壳上的 各种隔板以及级间密封、轴承等零部件。 1 1 5 离心压缩机的发展现状 我厂目前生产的压缩机包括水平剖分型( m c l 系列) 、垂直剖分型( b c l 系列) 、 d h 系列、污水处理型( g m 系列) 、g 系列以及s v k 系列等多种形式的压缩机。尤其 以m c l 系列和b c l 系列为主要产品，并且逐步向着大流量、大的功率以及大出口 压力方面发展，并先后不我国生产了大庆乙烯裂解气压缩机、四万空分压缩机、 五万二空分压缩机以及年产3 0 吨、4 0 万吨、6 0 万吨乙烯压缩机，并且逐步拉近 了与世界先进风机行业的距离。目前世界上只有为数不多的几家大公司能够为年 产1 0 0 万吨乙烯裂解装置提供配套的压缩机组，我厂现已与天津石化签定了为年 产1 0 0 万吨乙烯装置提供配套压缩机组的合同，交货期为2 0 0 8 年，届时将再次为 全世界带来惊喜。 1 2 项目研究的背景 2 0 0 7 年4 月1 2 日上午1 l 点，在辽宁友谊宾馆一楼多功能厅隆重举行了中国 石化天津分公司1 0 0 万吨年乙烯裂解气压缩机组合同签字仪式。 这是继1 9 9 8 年、2 0 0 1 年、2 0 0 3 年、2 0 0 5 年，大庆石化公司、中石化上海股 份有限公司、中石化茂名分公司大型乙烯配套装置压缩机组成功实现国产化后， 沈鼓集团与中石化签订的首台年产1 0 0 万吨大型乙烯装置配套设备裂解气压缩机 组合同。 乙烯是石油化工行业的基础原料之一，通过乙烯的聚合、氧化、卤化( 包括 氧氯化) 、烷基化、水合、羰基化、齐聚等反应，可以获得多种极其重要的化工 原材料，对整个国民经济发展起着重要作用，其生产能力是衡量国家石油化工发 展水平的重要标志，关系着国民经济命脉和国家安全。 - 3 - 、f； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，乙烯装置正向大型、节能、高可靠性方向发展。国外已完成6 0 1 5 0 万吨年乙烯装置的设计、制造与成套，已运行装置的最大规模是加拿大1 2 7 万吨 年乙烯装置，正在设计建设单机系列的最大规模为伊朗j a m 公司在a s s a l u y e h 地 区的1 4 0 万吨年乙烯装置。乙烯“三机因其处于生产乙烯原料的头部，而成为 乙烯装置的核心设备。 为满足生产装置规模不断增大的要求，乙烯装置用大型压缩机组的技术发展 趋势将使设备处理能力不断增强，三元流动理论被发展应用到叶片扩压器等静止 元件设计，高参数化工作特性的压缩机将被开发，级问匹配与整机匹配技术将逐 步得到解决，设备早期故障诊断与控制技术、噪声治理与控制技术将逐步被使用， 理论研究将逐步微观化。当今，世界上乙烯装置用大型压缩机组的供应商主要有 g e 、西门子、三菱重工、荏原等公司。 我国乙烯工业装置的技术水平和生产能力相对较低，1 9 9 8 年以前，国内的 1 8 套乙烯装置用的5 0 多台离心压缩机组均从国外引进，国产乙烯装置用百万吨级 大型压缩机组更是空白。沈鼓集团生产大型乙烯装置压缩机前，中国石化企业近 2 0 套大型乙烯装置压缩机全部从国外进口。1 9 7 6 年，沈鼓从意大利引进压缩机制 造技术，经过2 0 多年的创新和发展，相继开发了数十项具有国际先进水平的新技 术，成为我国风机制造业的领军企业，并为研制大型乙烯“三机 奠定了坚实的 基础。 、 裂解气压缩机在石化工业中具有重要地位，是乙烯装置的核心设备，过去我 国百万吨级乙烯装置长期依赖进口。目前，世界上只有少数几个跨国公司拥有年 产百万吨级乙烯设备能力。从上个世纪7 0 年代开始，沈鼓公司就开始向大型乙烯 装置用压缩机的研发迈进，相继开发了数十项具有国际先进水平的新技术，先后 为大庆、上海、茂名等地的石化企业提供了2 4 万吨年到6 4 万吨年大型石化乙 烯装置用压缩机组的单机，产品达到世界先进水平。此次百万吨级乙烯装置用裂 解气压缩机组生产合同的签订，意味着我国已经具备大型乙烯装置核心设备的生 产能力。 1 3 本课题研究的主要内容和意义 1 3 1 本课题研究的主要内容 本课题主要是通过对机壳焊壳进行水压试验，测试出机壳各部位，如进出风 口、中分面法兰、中分面把合螺栓孔等部位在内压作用下的应力、应变随着内压 4 i j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 增加而变化的情况，从而获得第一手实际测出的应力、应变值，同通过有限元分 析经理论计算得出的各部位应力、应变值进行对比，从而为今后设计、制造百万 吨乙烯装置用压缩机组提供理论和实际依据。具体为如下几点： ( 1 ) 离心压缩机简介。 ( 2 ) 离心压缩机的力学分析。 ( 3 ) 离心压缩机的水压试验基础。 ( 4 ) 2 m c l 9 0 7 焊接机壳整体强度分析。通过有限元分析机壳在不同部位的 应力情况，从而确定危险部位，为压缩机的设计提供参考，也为下一步贴片提供 位置。 ( 5 ) 模拟实际工况压力对机壳进行应力分析计算。 ( 6 ) 根据以上提供的数据进行机壳静强度水压试验，并进行贴片实际测量， 测出危险部位的应力、应变值，从而验证理论计算的正确性，从而确定该机壳能 够满足机组本身的设计要求。 1 3 2 本课题研究的意义 该项目的研究具有很重要的意义。首先，通过该项目的研究，为沈鼓今后压 缩机的设计提供了一个很好的理论依据，使我们在压缩机的设计方面有了一个更 大的进步。其次，该项目主要为百万吨乙烯裂解装置而研究，为百万吨乙烯裂解 装置用压缩机组提供设计参考，若取得成功，将极大的促进沈鼓压缩机的发展， 使压缩机的发展上升新的台阶，并由此填补了中国不能独立的制造百万吨乙烯裂 解装置用压缩机组的空白，将再次把惊奇带给世界，把中国装备制造业的品牌带 给世界，把我国风机行业工业、民族工业推向新的发展阶段。 5 kb；hlp， 东北大学硕士学位论文第二章离心压缩机的力学分析 第二章离心压缩机的力学分析 2 1 概述 对压缩机零部件结构分析，其目的是要保证零部件能够长期安全可靠地运转， 目前这个工作主要从以下三个方面着手来进行。 ( 1 ) 构件承载能力的校核 为了保证结构的正常工作，必须使结构具有足够的承载能力，包括三方面的 内容强度： 保证构件在给定载荷下具有足够的抵抗破坏的能力，即具有足够的强度应 力分析刚度。 保证构件在给定的载荷下具有足够的抵抗变形的能力，即具有足够的刚度 变形分析稳定性。 保证构件在给定的载荷下具有始终保持平衡状态能力即具有足够的稳定性 ( 压杆失稳、转子吊具失稳) 。 ( 2 ) 力学方面的分析校核 模态分析( 固有频率) ：保证在机组运转过程中承受周期性激励的零部件不至 于发生共振。 ( 3 ) 疲劳寿命的分析 构件在承受交变载荷时，需做疲劳寿命的校核，保证机组的寿命周期。 2 2 应力、应变和应力应变曲线 以材料标准试棒的拉伸实验为例。试棒横截面积为a ，根据虎克定律，在弹性 变形阶段，施力与试棒的拉力为f ，试棒的伸长量为1，则有 f = k a1 定义6 ：三为应力( 单向拉伸正应力) 单位p a 丑 ：犁 为应变无单位 l 同样在弹性阶段有这样的关系是成立的： 6 东北大学硕士学位论文第二章离心压缩机的力学分析 6 = 眈( 拉压虎克定律) e 材料的弹性模量单位同应力的单位 如果把标准试棒放在拉伸实验机上进行缓慢拉伸，测出拉力和变形，进而转 化为应力和应变，则对低碳钢可以给出应力应变关系曲线。可以看出有以下几个 变形阶段： ( 1 ) 性阶段：a - 比例极限 6f - 满足6 = ee 以下称为线性阶段 ( 2 ) 弹性阶段：b ：弹性极限 6e ：变形还能恢复 以下称为弹性阶段 ( 3 ) 屈服阶段：c ：屈服极限 6x ：应力不需增加，但应变仍在增长， 屈服阶段，过了c 点以后就有永久变形产生。 。 、 ( 4 ) 化阶段：d ：过了屈服以后，材料抵抗变形的能力进一步增强，称为应 力刚化，继续变形，必须增加应力，强化阶段，ob 是所能承受的最大应力，称为 材料的抗拉强度。 ( 5 ) 缩阶段：以后为颈缩阶段，会有某一局部横向尺寸急剧缩小，出现颈缩 现象，还可以变形但需要的应力很小。 我们主要关心的是os ( 屈服强度) 和ob ( 抗拉强度) 对我们常用的高合金刚，没有明显的屈服阶段，通常以发生o 2 残余应变时 所对应的应力作为屈服强度，以6o 2 表示。 。 2 3 许用应力和安全系数 破坏应力：材料发生破坏时的应力称为破坏应力或极限应力，记为o 09 取为 ox 或ob ，更多的取为ox 。 许用应力和安全系数：为了使构件工作时有一定的强度储备，通常将破坏应 力除以一个大于1 的系数n ，作为设计时的应力的最高限度，称为许用应力，n 称 为安全系数。 在实际应用中，根据分析手段的精度不同会取不同的安全系数 计算精度高：n 大 计算精度低：n 小 对于a n s y s 提供的计算结果 n = i c a l 4 7 计算的结果 n = i 3 2 4 复杂应力状态和强度理论 从一个复杂受力的构件上取一点，这点不仅仅有正应力还有剪应力： 7 k，。， ， 东北大学硕士学位论文第二章离心压缩机的力学分析 ox ，oy ，oz 正应力 t 剪应力 当坐标轴取到某一特殊方位，可使剪应力为o ，这时的正应力称为主应力，并 按大小排列ol 02 o3 。 实验研究表明，在复杂应力状态下，材料的破坏与三个主应力的大小和它们 的比值有关，但主应力大小和比值有无穷多个组合，很难通过实验来确定每一种 应力状态下的破坏应力，为了提出材料破坏准则，做了很多的分析和假设，也提 出了很多的强度理论，工程中有四个经典的强度理论。 ( 1 ) 第一强度理论( 最大拉应力理论) 材料强度的极限状态取决于最大伸长应变，而对复杂应力状态，只要最大拉 应力61 达到由简单拉伸实验所测得的极限应力oo 时，即破坏。 破坏条件：o = o1 _ - - o o ( 2 ) 第二强度理论( 最大伸长应变) 材料强度的极限状态取决于最大伸长应变，而对应力状态，只在拉抻应变达 到简单拉伸时的极限应变o 时，材料即破坏 破坏条件：e1 - - o 由虎克定律得：0 = d 卜i i ( o2 + o3 ) = o o ( 3 ) 第三强度理论( 最大剪应力理论) 材料强度的极限状态取决于最大剪应力，对复杂应力状态，只要最大剪应力 达到简单拉伸的极限剪应力to ，即破坏。 破坏条件：t 一= t o t 。= ( 01 一o3 ) 2 简单拉伸时与屈服强度ox 相对应的极限剪应力 to = oo 2 由此，建立起称为屈需斯加( t r c c a ) 屈服准则 ， ( ol o3 ) 2 = oo 2 o = o 卜o3 = o o 得到的应力0 称为应力强度 对压力容器判别的采用这一理论。 ( 4 ) 第四强度理论( 形状比能理论) 材料的极限状态取决于形状改变比能，即对复杂应力状态，只要形状改变比 能达到简单拉伸时的极限形状改变比能u 西o ，材料即破坏。 破坏条件：u 西= u 由o - 8 - 东北大学硕士学位论文第二章离心压缩机的力学分析 以主应力表示的破坏条件为： ? = 扭( 。飞) 2 + ( a ：飞) 2 + ( a ，1 ) 2 甜 得到的应力也称为v o nm i s e s 应力，计算强度给出的应力即为y o nm is e s 应力。 2 5 有限元分析对结构进行应力、变形等静强度分析的步骤 目前分析各种零部件在受力状态下的应力变形等都是采用有限元软件通过有 限元的方法来进行的求解，分析步骤是： ( 1 ) 建立零部件的三维几何模型 ( 2 ) 划分单元 是将连续的结构体离散成一组有限数量的单元，每个单元设立有限数目的结 点，相邻单元之间靠结点连接，这样，就将连续体看做是在结点处相连接的一组 单元的集合体。 ( 3 ) 旌加载荷 ( 4 ) 施加约束，排队刚体位移 ( 5 ) 求解 求解过程：为解结点平衡方程( 结点位移和结点载荷之间的关系式) 一节占 位移单元应变一单元应力节点应力 ( 6 ) 后处理：观察求解结果 ( 7 ) 校核 2 6 有限元分析概述 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问 题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域 组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的 满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近 似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确 解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的 工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早 在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆 来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称 9 东北大学硕士学位论文 第二章离心压缩机的力学分析 为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有 效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计 算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几 乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析 方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于 相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫 ( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数 ， 即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将函数定义 在简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ， 且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之 一。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几 何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相 连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网 络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增 大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包 含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方 程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式， 其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态 变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言， 重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好， 畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反 映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。 _ 10 东北大学硕士学位论文第二章离心压缩机的力学分析 总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点 处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立 方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的 近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确 定是否需要重复计算。 第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及 整体强度分析 3 1 焊壳整体结构概述 焊接机壳结构图如下所示： 图3 1 机壳焊接图 f i 9 3 1w e l dc a s i n g - 1 2 - 一 一 ，j ：，“碗l；|ht；硝哪 东北大学硕士学位论文第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 机壳整体采用焊接结构，主要由中间机壳、两侧轴承密封体、一二段进出风 口以及中分面法兰构成。水压试验的朱要目的就是要检测中分面法兰、进出风口、 以及中间机壳在内压的作用下产生变形的情况和应力值，从而为今后百万吨乙烯 装置压缩机的设计提供理论数据和实际数据，因此对以上部位进行简介。 a 进风口，如图所示 材料：1 6 m n b 出风口 图3 2 进风口 f i 9 3 2i n p u tw i n dp o s i t i o n 图3 3 出风口 f i 9 3 3o u t p u tw i n dp o s i t i o n - 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 材料：1 6 m n c 中分面法兰材质：1 6 m n 图3 4 中分面法兰 f i 9 3 4p a r r a l ef a c ef l a n g e 3 2 焊接机壳整体强度分析 3 2 1 整体分析条件 上下机壳做整体装配分析，通过刚性单元和梁单元的方式来模拟螺栓连接， 上下机壳之间采用接触单元。 载荷条件：机壳内部表面均添加3 m p a 内压力 模拟螺栓的地方，在螺栓的两端添加螺栓的预紧力 根据公式t = k o d f 其中t = 3 0 0 k g m d = 5 6 m m k o 取0 1 5 ( 按一般加工表面，有润滑) 计算得到 f = 3 5 0 2 14 n 1 4 东北大学硕士学位论文g s _ 章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析； 表3 1k o 的取值 t a b l e 3 1v a l u eo f k o 约束条件：约束住下机壳的进风口和出风口的下地面。 3 2 2 压缩机整体强度分析 3 2 2 1 实体模型图 3 2 2 2 有限元模型图 图3 5 实体模型图 f i 9 3 5m o d e lo ft h ee n t i t y 图3 6 有限元模型图 f i 9 3 6m o d e lo ft h el i m i te l e m e n t 1 5 - 东北大学硕士学位论文第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 3 2 2 3 计算结果及分析 使用有限元分析软件m s i d e a s l 2 对压缩机作了整体分析，分析结果显示危险 位置出现在进风口和出风口上，这和实际相似，对于整个压缩机来说，进风口和 出风1 ：3 的钢板比较薄，只有2 0 r a m ，最薄的地方只有1 5 r a m ，在承受3 m p a 内压力 时，这些地方应力比较明显。 图3 7 整体分析 f i 9 3 7w h o l ee n t i t ya n a l y s i s 压缩机采用钢材为1 6 m n ，整体分析的结果显示，一段进风口和二段进风口的 加强板强度不够，进风口和出风口的局部强度不够，需要加强，分析应力分布结果， 在做应变片测试试验时下列位置需要贴应变片： 图3 8 一段进风口、二段进风口( 对应位置) f i 9 3 8w i n di n p u to fo n e a n d t w os t e p 一 ? 图3 9 上机壳和下机壳加强板 f i 9 3 9s t r e n g t h e nb o a r d o fu pa n dd o w nc a s i n g 图3 1 0 一段出风口 f i 9 3 1 0w i n do u t p u to f o n es t e p 3 2 2 4 计算结果 工况1 、载荷：内压力1 4 5 m p a - 1 7 - 东北大学硕士学位论文第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 图3 1 1 一段进风口 f i 9 3 11w i n di n p u to fo n es t e p 图3 1 2 上机壳和下机壳加强板 f i 9 3 12s t r e n g t h e nb o a r do fu pa n dd o w nc a s i n g 1 8 - t 彳 东北大学硕士学位论文 第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 工况2 、载荷：1 7 5 m p a 图3 1 3 一段出风口 f i 9 3 1 3w i n do u t p u to fo n es t e p 图3 1 4 一段进风口 f i 9 3 1 4w i n di n p u to fo n es t e p 1 9 东北大学硕士学位论文第三章2 m c l 9 0 7 系列压缩机焊接机壳结构及整体强度分析 图3 1 5 上机壳和下机壳加强板 f i 9 3 1 5s t r e n g t h e nb o a r do f u pa n dd o w nc a s i n g 东北大学硕士学位论文 第四章2 m c l 9 0 7 机壳力学计算 4 1 简介 第四章2 m c l 9 0 7 机壳力学计算 大型水平剖分式压缩机的焊接机壳应具有良好的密闭性，在出厂前的水压试验 条件下，中分面不应发生泄漏现象，机壳和螺栓的强度应得到充分保证。根据百 万吨乙烯项目工程的要求，我们选定2 m c l 9 0 7 焊接机壳( 以下简称为机壳) 为研 究对象，用有限元分析软件a n s y