2D型活塞压缩机关键零部件的有限元分析毕业设计

1、目录第 1章 绪 论3.1.1.1.1 课题的目的A O1.2 背景1.3 课题内容及意义 3.第 2 章 活塞式压缩机简介 5.2.1 活塞式压缩机概述以及相关参数 5.2.2 活塞式压缩机分类及结构 7.2.3 活塞式压缩机的工作原理 8.2.4 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 1.23.3 曲轴的有限元分析 1.93.4 小结 2.3.第 4 章 连杆有限元分析2.4.4.1 对连杆进行有限元分析的重要性 2.44.2 连杆相关力学计算 2.44.3 连杆的有限元分析 3.24.4

2、 小结 3.5.第 5 章 十字头有限元分析 3.75.1 对十字头进行有限元分析的重要性 3. 75.2 十字头相关力学计算 3.75.3 十字头的有限元分析 4.25.4 小结 4.6.4.8.结论参考文献 4.9.致 谢 5.1.毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知，除文中特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体， 均已在文中作了明确

3、的说明并表示了谢意。作者签名： 日 期：指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电 子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制 手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分 或全部内容。学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡

4、献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。导师签名:日期： 年 月作者签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专

5、业知识、技能的扎实程度优良中及格不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力优良中及格不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性优良中及格不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况优良中及格不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩

6、：优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“ V）指导教师：（签名）单位：（盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不及格建议成绩：优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“ V”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年 月 日大庆石油学

7、院本科生毕业论文教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况优良中及格不及格3、学生答辩过程中的精神状态优良中及格不及格二、论文（设计）质量1论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？优良中及格不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？优良中及格不及格三、论文（设计）水平1论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？优良中及格不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平优良中及格不

8、及格评定成绩：优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“ V）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年 月 日教学系意见：系主任：（签名）年 月 日I大庆石油学院本科生毕业论文第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ANS

9、YS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

10、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

11、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巴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

12、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：2：0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 囚。由求解线 性工程问

13、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

14、析软件，并广泛应用于工程实践：4：01965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0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

15、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6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

16、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

17、，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

18、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

19、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、并将载荷虚拟加载、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） ， 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（

20、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囚ANSYS软件的功能如下：基于工程学的理论以及许多

21、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 切。27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

22、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：10o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

23、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：11o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

24、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%）H20NH3H2SN2H2CH40.1970.02460ppm1.31912.3559.37C2H6C3H8Q4H10nC4H 10Q5H12nCsH 126.577.8364.1795.5440.2612.249C5H

25、10C6H 140.0040.097级数I级H级吸气压力MPa(G)0.41.15排气压力MPa(G)1.153.2吸气温度C4540排气温度C105105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C 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C 45主轴承温度C 65电机定子温度C 135供气缸水温度C40 50供填料水温度C 35机身振动g

26、 2填料冷却水过滤差压MPa(G)0.1稀油站供油温度CPreprocessorElement 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 Structura及其下的 Solid，在其右边的滚动栏中选择8node 45,单击0K按钮。执行 Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Mode命令，弹出 Define Material Model Behavior对话框，在右边的菜单中，连续双击 StructuralL in earElasticlsotropic 后又出

27、现一个 Lin ear 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：25：0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UtilityMenuSe

28、lectEntities，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In vert，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MainMenuPreprocessorMeshingMeshToo,在 Smart Size这项选为 5。之后执行 Main Menu PreprocessorMeshingVolumesFree,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

29、分完毕26335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 Lin ear search项置为

30、 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270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 进行约束的施加辺。第一步，执行Utility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，将第一项选 Lin es，第二项选为By Num/Pick，下面默认为From Full，点击In vert，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Ut

31、ilityMenuSelectEntities，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Lin es，all，点击In vert，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 Lin es，第二项选为By Num/Pick，下面默认为From Full，点击In vert，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U