毕业设计（论文）-2D型活塞压缩机关键零部件的有限元分析.doc

大庆石油学院本科生毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 课题的目的11.2 背景11.3 课题内容及意义3第2章 活塞式压缩机简介52.1 活塞式压缩机概述以及相关参数52.2 活塞式压缩机分类及结构72.3 活塞式压缩机的工作原理82.4 活塞式压缩机在石油化工工业中的应用9第3章 曲轴有限元分析113.1 对曲轴进行有限元分析的重要性113.2 曲轴相关力学计算123.3 曲轴的有限元分析193.4 小结23第4章 连杆有限元分析244.1 对连杆进行有限元分析的重要性244.2 连杆相关力学计算244.3 连杆的有限元分析324.4 小结35第5章 十字头有限元分析375.1 对十字头进行有限元分析的重要性375.2 十字头相关力学计算375.3 十字头的有限元分析425.4 小结46结 论48参考文献49致 谢5152第1章 绪 论1.1 课题的目的本次毕业设计的题目是“2D型活塞压缩机关键零部件的有限元分析”。课题的目的是对活塞式压缩机的结构、功能以及应用等方面进行一些基础的了解。重点在于运用ANSYS软件分析2D型活塞式压缩机的关键零部件，并通过对ANSYS软件的学习，掌握该软件完成有限元分析的方法与步骤，并运用软件对毕业设计中具体给定的压缩机实例进行分析，通过完成整个分析过程使自己达到对ANSYS软件的熟练操作，证明ANSYS软件可以简洁快速的完成相关课题的分析。解决以上问题就是本文的中心目的。1.2 背景 活塞式压缩机是容积型压缩机中应用最广泛的一种，也是石油化工行业中比较重要的机械之一，各项工业流程几乎都可以看到它的身影。不论是物料的运输、加工及成型都少不了它的参与，因此对压缩机进行力学分析是一项必不可少的关键性工作。活塞式压缩机的易损件很多，其形状，受力状态又不是很规律，因此用常规的计算方法很难展开工作，而且由于理论工况与实际工况存在着不小的差距，所以计算的结果的误差也很难让人接受。计算的结果有时也很难让人接受，从而无法解决实际问题。这时，有限元方法的出现让人眼前一亮。它把分析的物体划分成有限多个单元，再分别对这些单元进行分析，分析的结果大大减小了误差，导入相应软件进行分析也大大减轻了繁琐的计算工作量。有限元法就是这样发展起来的。有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学、计算力学和计算工程科学领域最有效的现代计算方法。经过40多年的发展已经使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，并且开发了一批通用和专用有限元软件，如ANSYS、MSCNASTRAN、MSCMARC、ABAQUS和ALGOR等。有限元方法正被日益广泛的用于计算机辅助工程分析（CAE）,并与计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）等集合成一体为计算机整体制造(CIM)。随着新产品设计与产品开发的需求日益增加，产品质量与成本控制越来越严格，有限元计算技术显示出极大的优越性。它可以帮助工业界降低成本，改进质量，缩短产品设计与开发的周期。在众多可用的通用和专用有限元软件中，ANSYS是最为通用和有效的商用有限元软件之一，用户也是最广。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发,它能与多数CAD 软件接口,实现数据的共享和交换。作为一个流行的工程设计软件，具有三维立体几何构造，计算模拟，虚拟成形试样产品等功能，已被工业界公认为十分有效的计算和分析工具。它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。该项目在我国发展正处于初步阶段，相关资料并不充分，在我国该软件大部分应用于对静设备进行分析。从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。1965 年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了30多年的发展历史,理论和算法都已经日趋完善。现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。有限元方法是数值计算中的一种离散化方法。用数学术语来说,就是从变分原理出发，通过分区插值，把二次泛函（能量积分）的极值问题转化为一组多元线性代数方程来求解；从物理和几何概念来说，有限元方法是结构分析的一种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域的发展和应用，其基本思想是将弹性体划分为有限个单元，对每个单元，用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特性可认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立起连续体的力平衡关系。这种方法常用于复杂弹性振动系统，其求解方式现在有多种可利用的商业化软件，这里我们应用ANSYS软件系统。有限元分析步骤如下：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。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。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数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。利用ANSYS软件进行模态分析的过程分为4个步骤：（1）建模；（2）加载求解；（3）扩展模态；（4）观察结果。1.3 课题内容及意义压缩机的性能测试涉及到热动力学、流体力学、电子学、计算机科学和现代控制理论。压缩机性能测试对于研究和改善压缩机的热力性能及可靠性具有重要的意义。随着计算机技术及自动控制技术的迅猛发展，工业计算机越来越广泛地被运用到各种控制系统中。利用计算机友好的人机界面，实现人机对话和监控系统，并可借助计算机强大的运算和管理能力，对数据进行处理和保存，实现压缩机性能测试。其中软件的设计是最为重要的，它直接面向用户，并且决定了测试系统的功能。该软件可以将分析的物体进行有限元化，并通过设定参数和求解过程对其进行力学分析，让人可以直观、形象的了解所分析结构的受力情况。课题的内容为了解活塞式压缩机在石油化工工业中的实际应用，同时了解2D型活塞式压缩机的结构及工作原理，重点完成2D型活塞式压缩机关键零部件的有限元计算和分析（应用ANSYS软件对压缩机重要零部件进行应力分析，通过对相关软件的学习对所研究的零部件进行建模、实参数的选择及确定、力学状态选择、载荷虚拟加载、受力加载分析，之后根据所生成的图像观察其应力分布情况、最危险截面位置以及零部件变形情况、位移大小等，根据这些分析的结果来确定其结构的合理程度并进行相关校核计算，以及讨论对于分析结果的解决方法），并将分析结果用图表、图像等方法具体、生动的展现出来，从而完成有限元分析过程。论文主体内容分为五章，第一章绪论是关于应用有限元分析方法的简单介绍，第二章是关于活塞式压缩机简介的内容，第三、四、五章是关于活塞式压缩机的曲轴、连杆以及十字头的相关力学计算以及有限元分析。该毕业设计是在理论力学与材料力学的基础上，对研究对象（压缩机传动机构）在一定工况所确定的载荷作用下其结构的强度、刚度及屈服稳定性情况有一定的了解，并以直观的图像、表格等形式表现出来。根据这些图像以及理论计算的内容相比较从而解决工程问题。在企业中可根据所计算得到的结构上各处位移和应力的分布结果结合相应的设计标准或规范，判断所设计的结构可靠性和经济性，从而避免某些结构或零部件由于过大的应力压曲失稳而损坏、并控制机械结构整体及其零部件的刚性性能，能够对较复杂机械零件进行静力分析，并能基本掌握机械的非线性分析和瞬态分析，能够对复杂的机械零部件进行应力和变形的分析，对简单装配件进行接触分析ANSYS软件的功能如下：基于工程学的理论以及许多数值分析的理论技术；可解决大部分工程上的问题；使用相当有效的解题方法；以用户为导向，容易定义问题；完全由问题的定义推得结果；有完整且蕴含高度技巧性的图形表示能力；有完整的帮助文件和完整的例题，而且经过许多验证；有完整的工程及技术人员继续开发新技术；每年有完整的研讨会，并有完整的电子公告栏以帮助用户解决遇到的问题。第2章 活塞式压缩机简介2.1 活塞式压缩机概述以及相关参数从世界范围内看压缩机的发展历程和概况。活塞式压缩机的发展历史悠久，具有丰富的设计、研究、制造和运行的经验，至今在各个领域中依然被广泛采用、发展着。然而，也必须注意到，制冷压缩机的不断进步也反映在其种类的多样性方面，活塞式以外的各类压缩机机型，如离心式、螺杆式、滚动转子式和涡旋式等均被有效地开发和利用，并各具特色，这就为我们制冷工程的业内人士在机型的选择上提供了更多的可能性。在这样的背景之下，活塞式压缩机的使用范围必然受到一定影响而出现逐渐缩小的趋势，这一趋势在大冷量范围内表现得更为显著。在中小冷量范围内，实际上还是以活塞式压缩机为主。活塞式压缩机属于容积式压缩机，适用于中小输气量，排气压力可从低压直至超高压，与其它类型压缩机相比，具有如下一系列特点：首先，运动机构的尺寸确定后，工作腔的容积变化规律也就确定了，因此，机器转速的改变对工作腔容积变化规律不发生直接影响，故机器压力与流量关系不大，工作的稳定性较好。其次，气体的吸入与排出是靠工作腔容积变化，与气体性质关系不大，故机器适应性强并容易达到较高的压力。再次，机器的热效率较高。最后，容积式机器结构较复杂，尤其是往复式压缩机易于损坏的零件多。此外，气体吸入和排出是间歇的，容易引起气柱及管道的振动。活塞式压缩机在各种场合，特别是在中小制冷范围内，成为应用最广、生产批量最大的一种机型。本文研究的对象是2D40-51.5/4-32-BX型原料气压缩机。关于活塞压缩机的曲轴、连杆及十字头的相关力学计算以及有限元分析。选取几个有代表意义的位置进行分析。运用有限元进行力学加载分析，根据计算生成的应力云图确定其危险截面，并与理论计算进行比较，判断其危险截面所在，并根据其力学分析结果针对确定的危险截面总结相应的应对措施来减少其失效可能，使其运行工况相对安全稳定。以下为原料气压缩机性能参数及主要技术指标。表2-1 原料气压缩机性能参数及主要技术指标项 目单 位参数值及技术指标设备位号P-1201A/B型号名称2D40-51.5/4-32-BX型原料气压缩机介质名称原料气组 成(体积百分数%)H2ONH3H2SN2H2CH40.1970.02460ppm1.31912.3559.37C2H6C3H8iC4H10nC4H10iC5H12nC5H126.577.8364.1795.5440.2612.249C5H10C6H140.0040.097级 数级级吸气压力MPa(G)0.41.15排气压力MPa(G)1.153.2吸气温度4540排气温度105105各级安全阀开启压力MPa(G)1.273.52排 气 量m3/h12768轴 功 率KW1060转向从非驱动端看压缩机为逆时针冷却水总进水压力MPa(G)0.3活塞杆摩擦表面温度1100曲轴转速r/min333填料充氮压力MPa(G)0.1循环油量L/min100氮气消耗量Nm3/h6润滑油系统供油压力MPa(G)0.30.4润滑油系统供油温度45主轴承温度65电机定子温度135供气缸水温度4050供填料水温度35机身振动g2填料冷却水过滤差压MPa(G)PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Type对话框，单击Add按钮，在弹出的对话框中选择Structural及其下的Solid，在其右边的滚动栏中选择8node 45，单击OK按钮。执行Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，在右边的菜单中，连续双击StructuralLinearElasticIsotropic后又出现一个Linear isotropic Properties for Material Number 1对话框，在EX后面的输入栏中输入2.1E+5，在PRXY后面的输入栏中输入0.3，单击OK按钮，接着继续在Define Material Model Behavior对话框中连续双击StructuralDensity，弹出密度定义对话框，在DENS后面的输入栏中输入7.85E-9，单击OK按钮，关闭该对话框。到此曲轴模型的单元类型的选择及材料属性的定义工作完毕。3.3.4 网格划分图3-3 曲轴网格划分在这次设计中我采用的网格划分方法是自由网格划分。执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选为Volumes，第二项选为By Num/Pick，下面默认为From Full，点击Invert，之后单击OK按钮。之后选取整个曲轴实体，单击弹出对话框的OK按钮。执行Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在Smart Size这项选为5。之后执行Main Menu PreprocessorMeshing VolumesFree，之后选取整个曲轴实体，单击弹出对话框的Pick All按钮，等待其运行完毕，观察确认网格已经生成后，单击工具条上的SAVE_DB按钮，保存网格模型，操作到此为止网格划分完毕。3.3.5 进入求解器加载并求解执行Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，弹出New Analysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK按钮，关闭该对话框。执行Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，弹出Solution Controls对话框。单击Basic选项卡，设定求解时间1，打开自动时间步长，子步数设为40，最大子步数为100。之后单击Solution Controls对话框上的Nonlinear选项卡，在该对话框中，将Linear search项置为ON，同时将DOF solution predictor项设为On for all substp，单击OK按钮，关闭该对话框，到此求解参数设定完毕。确定约束位置，曲轴与连杆是圆弧接触，因此认为力是作用在一条线上。曲轴的受力情况可以简化为其两端的轴部受到约束，两个曲拐上受到连杆的载荷先进行约束的施加。第一步，执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选Lines，第二项选为By Num/Pick，下面默认为From Full，点击Invert，之后单击OK按钮。 第二步，选取实体上所加约束的线，单击弹出对话框的OK按钮。执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选Nodes，第二项选为Attached to，下面默认为Lines，all，点击Invert，之后单击OK按钮。之后就可以进行约束的加载了。第三步，执行Utility MenuPlotNodes，显示出所需加约束的几个点。再执行Main Menu SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，选取点，单击OK按钮，在弹出的对话框中确定约束的大小和方向，这里方向选ALL DOF选项，大小确定为零，单击OK按钮，约束施加完毕。曲轴两端的约束均是这样施加的。接下来进行力的加载操作。力的加载方法与约束加载方法大致相同。第四步，执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选Lines，第二项选为By Num/Pick，下面默认为From Full，点击Invert，之后单击OK按钮。之后选取所加力的线，单击弹出对话框的OK按钮。执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选Nodes，第二项选为Attached to，下面默认为Lines，all，点击Invert，之后单击OK按钮。第五步，之后执行Utility MenuPlotNodes，显示出所需加载力的几个节点。这时再执行Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，选取点，单击OK按钮，在弹出的对话框中确定力的大小和方向，单击OK按钮，力的加载结束。曲轴两个曲拐处的力均是这样加载的。待力和约束都施加完毕以后，就可以进行力学求解了。先执行Utility MenuSelectEverything命令，选择曲轴的所有分析实体。接着执行Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，弹出Solve Current Load Step对话框，单击OK按钮开始求解，直到弹出Solution is done对话框，单击Close按钮，求解过程结束。接下来就可以查看曲轴的分析结果了。求解结束时，执行Utility MenuFileSave as命令，弹出Save Database对话框，在Save Database to输入栏中输入Results.db，保存上述的数据结果，单击OK按钮，关闭该对话框。3.3.6 查看求解结果 图3-4 外止点曲轴应力分布云图 图3-5 80时曲轴应力分布云图 图3-6 280时曲轴应力分布云图 图3-7 内止点曲轴应力分布云图想要查看变形结果，可执行Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，在KUND Items to be plotted中选择Def+undef edge选项，单击OK按钮，屏幕上自动生成曲轴变形结果图，要注意，图上的变形结果为了让人可以清晰的观察是经过夸大化了的，不要与实际变形混为一谈，但其数值结果是近似正确的。查看应力结果，可执行Main Menu General PostprocPlot ResultsContour PlotNode Solu命令，弹出Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured选项框中选择Stressvon Mises stress，其余选项采用默认设置，单击OK按钮，可查看曲轴的等效应力等值线图。通过本章对曲轴的有限元应力分析，我们可知：在分析过程中利用pro/e软件建立曲轴的三维实体模型，再将其导入ANSYS软件进行静力分析，模型所受载荷和边界条件根据实际进行简化；最后得到曲轴的应力分布云图和变形云图；曲轴满足强度和刚度要求。由上述分析结果可知，当曲轴在上述四种拉压力作用时，应力的最大值集中在曲轴主轴、曲柄销与曲柄的连接处。对于上述应力集中的区域，可以考虑改变主轴、曲柄销与曲柄连接处的过渡圆弧的半径来减少应力集中，提高曲轴强度。对于连接两曲柄销间曲柄应力集中及应变较大的情况，可以考虑通过改变曲柄外形尺寸，在应变较大处增加凸台，来达到提高曲柄强度降低应变的目的。由于曲轴结构的复杂性， 受载的空间变化性，建立在某些假设基础上的常规简化计算有较大误差，很难给出较精确的静强度和疲劳强度安全系数。然而，曲轴的强度直接影响着空压机的正常运转。因此, 产品设计时，对各种型号的空压机曲轴进行三维有限元计算是非常必要的。在曲轴调质处理时，要严格控制淬火加热温度、保温时间及冷却速度，杜绝过热现象的出现，在正确回火温度下进行回火，保证回火保温时间，通过正确的热处理工艺，以得到回火索氏体组织，确保曲轴具有良好的综合机械性能。另外，合理地选择加工工艺、加工精度、表面光洁度也是提高曲轴使用寿命的重要途径。3.4 小结 本章内容为：（1）运用理论计算得到进行有限元分析所需的相关力，并算得曲轴的关键截面为10-10截面，同时为下一步进行曲轴的有限元分析打下了基础。（2）运用ANSYS软件对曲轴进行分析。通过对选取的四个时刻的受力情况进行有限元分析，确定危险截面为在曲轴主轴、曲柄销与曲柄的连接处。（3）通过以上分析可知，理论计算与ANSYS分析结果所确定的危险截面一致，但由于简化条件不同算得的具体数值有所偏差。应用ANSYS10.0软件进行有限元分析，可以方便地得到在工作压力下的压缩机曲轴的应力分布，为压缩机曲轴强度的校核提供了一个方便可靠的计算工具，同时为活塞式压缩机曲轴的设计和改进提供了理论依据。第4章 连杆有限元分析4.1 对连杆进行有限元分析的重要性连杆是压缩机运动机构中的重要零件之一，包括大头、小头、杆体三部分，大头一端与曲柄销相连，小头端与十字头销（或活塞销）相连。其任务是与曲轴一起将输入压缩机的旋转运动转化为活塞的往复运动。一般中、大型压缩机连杆均采用球墨铸铁或锻钢制成。随着我国石油、化学工业的迅速发展，大型合成氨等需要更多的大型高压活塞式压缩机，活塞力吨位也逐渐增加，因而要求运动部件强度必须充分可靠。如连杆强度不足，一旦破坏，危害极大，若盲目增大安全系数，会使机器粗笨，造成浪费。过去对连杆进行强度计算，一般采用材料力学中所述的方法，分别对连杆大、小头及杆体进行校核。对杆体进行直杆拉、压校核。将连杆大、小头作为静不定曲梁，其上作用均布或余弦载荷，计算几个危险截面，当然这和连杆的实际情况相差很大，只能粗略地进行强度校核，很难详细准确地算出各部位应力及位移，无助于连杆的造型设计。近年来，常常采用有限元法解算大量的这类工程实际问题。我们在本次设计中分析2D型活塞式压缩机连杆时，就采用了有限元法。现将该机连杆计算结果作一分折，以求对连杆强度计算有所改进，以助于设计。4.2 连杆相关力学计算4.2.1 连杆尺寸的确定 图4-1 连杆结构图最大活塞力 曲柄半径 连杆长度 曲柄销直径 大头孔直径小头衬套内径 小头衬套宽度 小头衬套厚度 取小头孔直径 取连杆中间当量直径 连杆中间面积 近小头处连杆直径 取近大头处连杆直径 取连杆宽度 由图测得 大头处 取截面的厚度 取大头处截面的面积 取截面厚度 取小头处截面面积 截面厚度 取连杆螺栓直径 取螺栓定位部分直径 两连杆螺栓间距离 螺栓在大头体内长度 螺栓在大头盖内长度 连杆螺栓个数 连杆的计算小头衬套比压 (4-1) 连杆的惯性半径 柔度 杆体的拉压应力 系数 查活塞式压缩机设计表5-14，连杆材料35钢惯性矩 连杆摆动平面纵弯应力 (4-2) 杆体长度 惯性矩 垂直于连杆摆动平面纵弯应力 (4-3) 在连杆摆动总应力 垂直于连杆摆动平面总应力 大头盖截面的抗弯截面模数 截面弯曲应力 (4-4) 小于许用应力，安全大头盖截面的抗弯模数 大头盖截面重心到连杆螺栓线的距离 截面与连杆螺栓线的夹角