基于UG環(huán)境下對(duì)渦旋壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)模擬與仿真

基于UG環(huán)境下對(duì)渦旋壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)模擬與仿真*

聶新， 張國(guó)進(jìn)， 董光輝

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

摘要：針對(duì)分析渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，基于通用渦旋壓縮機(jī)的基本原理，利用UG環(huán)境下利用參數(shù)化建立渦旋壓縮機(jī)基本三維渦旋實(shí)體模型，模擬渦旋壓縮機(jī)基本運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；得到渦旋壓縮機(jī)基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線，并保證渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的正確性，從而提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：渦旋壓縮機(jī)；UG；參數(shù)化；建模；仿真

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2015.0012.012

收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-04-26.

基金項(xiàng)目：*重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2011AC6086).

作者簡(jiǎn)介：聶新(1990-)，男，四川安岳人，碩士研究生，從事新能源汽車空調(diào)渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)理論研究.

中圖分類號(hào)：HT455文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Unigraphics(UG)是西門子公司發(fā)布的基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造的軟件，很大程度用于機(jī)械制造、磨具生產(chǎn)、汽車設(shè)計(jì)、家用電器制造、航空軍事等領(lǐng)域，目前在世界上是比較通用的CAD/CAM/CAE軟件之一?，F(xiàn)代機(jī)械加工離不開計(jì)算機(jī)和工程軟件，即計(jì)算機(jī)輔助制造-CAM[1]。UG軟件可以實(shí)現(xiàn)三維建模，曲面設(shè)計(jì)，虛擬裝配，可以直接生成二維工程圖，也可以進(jìn)行有限元分析，運(yùn)動(dòng)分析和力學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)仿真分析[2]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種數(shù)字設(shè)計(jì)方式，它是基于虛擬樣機(jī)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它整合多項(xiàng)技術(shù)，如：三維實(shí)體建模，運(yùn)動(dòng)仿真、信息技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造。利用UG技術(shù)對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模，對(duì)渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真模擬。從而對(duì)渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造做出理論上的參考和研究。

1渦旋壓縮機(jī)的原理

渦旋式壓縮機(jī)已經(jīng)成為第三代壓縮機(jī)典型代表產(chǎn)品，它是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新式壓縮機(jī)，其具備工作效率高、自身體積小、工作噪音低、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)轉(zhuǎn)工況平穩(wěn)等特質(zhì)。渦旋式壓縮機(jī)屬于容積式流體機(jī)械。它包括動(dòng)盤、靜盤、十字防滑機(jī)構(gòu)、曲軸、和箱體等[5](圖1)。渦旋壓縮機(jī)靜盤與動(dòng)盤錯(cuò)開180°裝配，從而形成月牙腔，實(shí)現(xiàn)周期性容積變化。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，帶動(dòng)防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使得動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)似的動(dòng)盤和靜盤相互嚙合形成月牙形的腔體，形成周期性的變化。從而完成渦旋壓縮機(jī)的吸氣和排氣周期性的變化過(guò)程(圖2)。

2曲線設(shè)計(jì)圖

2.1共軛泛函型線

基本渦旋型線是由幾何共軛齒廓曲線的微分關(guān)系構(gòu)成[3](圖1)，根據(jù)弧微分方程理論所形成的平面曲線，渦旋通用型線的廣義泛函方程的集成形式為

式中：k=1,2,3，…，n。圖3中：S為弧長(zhǎng)；n為法線；t為切線；ρ為曲率半徑；c為曲率中心；ψ為切向角。

圖1　渦旋壓縮機(jī)剖視圖 1—靜盤；2—?jiǎng)颖P；3—支架體；4—曲軸； 5—防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；6—進(jìn)氣口；7—排氣口

圖2　渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程 1—?jiǎng)颖P；2—靜盤；3—進(jìn)氣口；4—排氣口； 5—壓縮腔；6—吸氣過(guò)程；7—壓縮過(guò)程； 8—排氣過(guò)程

圖3　曲線微分關(guān)系

2.2Matlab繪制型線圖

Matlab是由美國(guó)MathWorks公司發(fā)明的一種運(yùn)算軟件。它主要是面向科學(xué)計(jì)算，可視化和交互式程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域。MATLAB(MATrix LABoratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室)是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言，偏向針對(duì)科學(xué)計(jì)算、工程運(yùn)算和制圖的要求[4]。

針對(duì)渦旋壓縮機(jī)的型線設(shè)計(jì)有多種方式，主要有圓漸開線、阿基米德螺旋型線、通用螺旋型線等。利用Matlab設(shè)計(jì)型線的主要程序如下：

clear all; clc;

ADian1=[]; ADian2=[]; ADian11=[]; ADian21=[];

rb=1;

for b=0:pi/100:8*pi

Mz=[cos(b) sin(b) 0; -sin(b) cos(b) 0; 0 0 1];

OB=rb*[1 0 0]*Mz;

BM=rb*b*OB/norm(OB)*[0 -1 0;1 0 0;0 0 1];

OM=OB+BM;

i=pi/2; Mz1=[cos(i) sin(i) 0; -sin(i) cos(i) 0; 0 0 1];

OM1=OM*Mz1;

ADian1=[ADian1;OM];

ADian11=[ADian11;OM1];

Omm=OM*[-1 0 0;0 -1 0;0 0 1];

Om=Omm-[0pi/2 0 ];Omm1=OM1*[-1 0 0;0 -1 0;0 0 1];

Om1=Omm1-[0 pi/2 0];ADian2=[ADian2;Om];

ADian21=[ADian21;Om1];

end

figure(1);

plot(ADian1(:,1),ADian1(:,2))

hold on

plot(ADian11(:,1),ADian11(:,2))

hold on

hold on

grid on

axis equal

利用Matlab軟件繪制出通用螺旋曲線如圖4所示。

3模型設(shè)計(jì)

3.1渦旋壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)模型[5]

渦旋壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)模型包括4個(gè)構(gòu)件，曲柄、動(dòng)盤、靜盤、十字防滑塊。其中運(yùn)動(dòng)軌跡由曲柄運(yùn)動(dòng)所限制，機(jī)架與靜渦旋固定為一體(圖5)。機(jī)構(gòu)自由由F=3n-(2p1+ph)[6]確定,式中：n-活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；p1-運(yùn)動(dòng)低副；ph-運(yùn)動(dòng)高副。由圖5可知機(jī)構(gòu)的自由度為1。圖5中看出在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下動(dòng)渦旋做周期的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4　渦旋螺旋曲線

圖5　渦旋壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)圖

3.2三維實(shí)體參數(shù)化建模

渦旋盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。由于型線的不同可構(gòu)成不同的渦旋盤。常用的型線圓漸開線、多邊形漸開線、阿基米德型線和通用渦旋曲線等。參考王立存教授的通用渦旋曲線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。如圖6-圖10為渦旋壓縮機(jī)基本零件圖。

圖6　靜盤

圖7　動(dòng)盤

圖8　十字滑塊

圖9　曲柄

圖10　箱體

4仿真實(shí)現(xiàn)

在UG環(huán)境之下對(duì)三維實(shí)體模型裝配好之后對(duì)其添加相應(yīng)的約束。在軟件中將曲軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 750 r/min。各個(gè)零部件之間約束關(guān)系如表1所示。

表1　各個(gè)零部件關(guān)系

在UG軟件中，將各項(xiàng)零件裝配之后，利用運(yùn)動(dòng)仿真功能分析機(jī)構(gòu)的干涉分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的軌跡。以及機(jī)構(gòu)的加速度、機(jī)構(gòu)所受的作用力與反作用力以及力矩等(圖11)。圖11中為渦旋壓縮機(jī)添加完各種運(yùn)動(dòng)副之后的效果。利用UG運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行仿真，然后利用生成圖表功能生成圖12。

圖11　運(yùn)動(dòng)仿真圖

圖12　十字滑塊的位移

圖12中可以看出十字滑塊做周期性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這與渦旋壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)分析中由曲柄的作用下機(jī)構(gòu)做周期性的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相符。圖13表明十字滑塊每轉(zhuǎn)過(guò)90°位移達(dá)到最大值或最小值。所受力也做相同的周期性變化。動(dòng)盤分析結(jié)果與十字滑塊所做運(yùn)動(dòng)類似，也做周期性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變化。與實(shí)際渦旋壓縮機(jī)運(yùn)功工況相同(圖13-圖15)。圖16中表明靜盤在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒有位移的變化，這個(gè)實(shí)際工況過(guò)程中靜盤運(yùn)動(dòng)情況相同。

圖13　十字滑塊所受的力

圖14　動(dòng)盤的位移

圖15　動(dòng)盤所受的力

圖16　靜盤的位移

5小結(jié)

以UG軟件作為平臺(tái)對(duì)渦旋壓縮進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦旋壓縮的力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究；對(duì)渦旋壓縮機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)渦旋壓縮機(jī)的生成和設(shè)計(jì)提供了必要的參考，以及減輕了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)周期；達(dá)成了快速建模和分析，能夠快速獲得渦旋壓縮機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，為渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)制作供應(yīng)了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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The Modeling and Simulation of Scroll CompressorParametric Design Based on UG

NIE Xin, ZHANG Guo-jin, DONG Gung-hui

(College of Mechanical Engineering, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400054, China)

Abstract：By analyzing the scroll compressor’s motion mechanism and motion laws, based on the fundamental of universal scroll compressor, the scroll compressor’s basic-dimensional solid model of vortex in UG environment is set up by parameterization. The basic motion of scroll compressor is simulated, and the basic movement parametric curve of scroll compressor is got to make sure the scroll compressor’s correctness of the design and increase the quality of design products.

Key words： scroll compressor; UG; parameterization; modeling; simulation