基于SolidWorks Simulation活塞壓縮機(jī)機(jī)身靜態(tài)應(yīng)力分析

王祖輝，凌永驤

（德耐爾節(jié)能科技（上海） 股份有限公司，上海 201502）

1 引言

對活塞壓縮機(jī)來講，機(jī)身是壓縮機(jī)的重要基礎(chǔ)部件，主要用于放置曲軸、連桿等運動部件以及其安裝定位、零件潤滑、承載機(jī)座等功能，并通過螺栓緊固于活塞機(jī)機(jī)組的底座上?；钊麎嚎s機(jī)機(jī)身除了承受所有位于其上的各零部件的重力作用之外，還要承受活塞壓縮機(jī)氣缸運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的水平方向往復(fù)力和曲軸做圓周運動產(chǎn)生的慣性力的作用?；钊麎嚎s機(jī)氣缸運轉(zhuǎn)時，氣體為抵抗壓縮產(chǎn)生的水平方向往復(fù)力作用在活塞氣缸端面，經(jīng)由活塞桿、連接件傳遞到曲軸，與曲軸做圓周運動時在水平方向產(chǎn)生的力相反，并在機(jī)身內(nèi)部相互抵消，而未平衡的慣性力及慣性力矩通過曲軸箱傳至底座，最終由高剛性特殊箱式結(jié)構(gòu)吸收。在壓縮機(jī)持續(xù)運行時，機(jī)身受到水平方向往復(fù)力的沖擊，因此，對壓縮機(jī)機(jī)身進(jìn)行應(yīng)力分析是十分必要，本文主要對機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)條件下的應(yīng)力分析。

表1 機(jī)身模型設(shè)計參數(shù)

本文采用SolidWorks三維設(shè)計軟件建立機(jī)身有限元模型，通過Simulation靜應(yīng)力分析模塊同仿真，對活塞壓縮機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜應(yīng)力分析，比較機(jī)身在受到不同大小氣體作用力時應(yīng)力、位移及應(yīng)變變化大小的分布情況，以及對機(jī)身有無支撐梁時，相同氣體作用力時應(yīng)力、位移及應(yīng)變變化的對比分析。

2 模型的建立

2.1 材質(zhì)選用

在活塞壓縮機(jī)行業(yè)內(nèi)，絕大部分中高壓活塞壓縮機(jī)機(jī)身材質(zhì)選用灰口鑄鐵或球墨鑄鐵?；铱阼T鐵是價格便宜、應(yīng)用最廣泛的鑄鐵材料，在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰口鑄鐵占80%以上。在灰口鑄鐵中的成分組織中，碳將近80%以片狀石墨析出。由于灰口鑄鐵的抗壓強(qiáng)度基本不受石墨的影響，一般比石墨抗拉強(qiáng)度高出3、4倍，所以適于作受壓較大的缸體、機(jī)座等。此外，回扣鑄鐵具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性等優(yōu)良性能，使得回扣鑄鐵應(yīng)用廣泛。故此，本文中的活塞壓縮機(jī)選擇灰口鑄鐵，機(jī)身模型設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.2 三維建模

本次選用的活塞壓縮機(jī)機(jī)身為DW-2.93/6-25天然氣壓縮機(jī)機(jī)身部件，機(jī)身包含曲軸箱、支撐梁及軸承蓋等零件。利用SolidWorks軟件，依據(jù)設(shè)計需求，進(jìn)行尺寸設(shè)計建模。零件繪制時，盡量的精煉、簡結(jié)、不必要的部分可不用納入分析模型中，但要注意，不能取消關(guān)鍵部位的倒角以及加強(qiáng)筋，因為取消之后，對整個結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響，致使分析結(jié)果不準(zhǔn)確。利用SolidWorks裝配模塊，將繪制零件組裝。最終的計算三維模型。

2.3 在SolidWorks Simulation中算例的建立

在SolidWorks軟件中，打開SolidWorks插件按鈕，查找SolidWorks Simulation項目，單擊該項目，文件欄加載，整個Simulation的計算頁面呈現(xiàn)在工具欄。

在Simulation 左上角算例顧問（Simulation Command Manager） 單擊下拉菜單，點擊新算例（The New Case），在名稱欄輸入：活塞壓縮機(jī)機(jī)身靜應(yīng)力分析，類型中選中靜應(yīng)力分析，點擊確認(rèn)，新算例建立完畢。

2.4 零件材料的寫入

在Simulation算例樹中展開零件文件夾，注意3個裝配體零部件。選取機(jī)身應(yīng)用/編輯材料，在對話框中展開SolidWorks材料，展開鐵然后選取灰口鑄鐵，單擊應(yīng)用，將灰口鑄鐵應(yīng)用到模型零部件。

重復(fù)以上步驟，將45#材料指派給支撐梁裝配體零部件。

2.5 連結(jié)方式（Link Way）的設(shè)置

材料寫入后鼠標(biāo)右鍵單擊連結(jié)，選中零部件接觸（Component Contact），接觸類型中選中結(jié)合，零部件下選中全局接觸，單擊確認(rèn)，退出設(shè)置。

2.6 夾具的設(shè)置

在Simulation算例樹中，用右鍵單擊夾具，然后選擇固定幾何體。夾具Property Manager隨即出現(xiàn)。在圖形區(qū)域中，選擇零件機(jī)身的底面以及定位孔的面，此些面出現(xiàn)夾具中。

2.7 載荷的設(shè)置

在Simulation算例樹中，用右鍵單擊外部載荷，然后選擇力，力、力矩Property Manager隨即出現(xiàn)。在類型選項卡的力、力矩下：單擊力。

單擊機(jī)身受力的半圓軸孔內(nèi)表面，選擇法向。在單位下，選擇英制（IPS）。在力選項下：先以氣體作用力20000 N為例，單擊鍵入20000 N力的大小，選擇按條目，單擊確認(rèn)，進(jìn)入下一步。

要得到氣體作用力在30000 N和40000 N事的應(yīng)力分析，只需重復(fù)上述步驟即可。

2.8 網(wǎng)格的劃分即算例求解

載荷設(shè)置完畢右鍵單擊網(wǎng)格，選擇生成網(wǎng)格，可調(diào)整網(wǎng)格密度以及網(wǎng)格參數(shù)，因為模型中存在圓角，此處我們選擇基于混合曲率的網(wǎng)格。設(shè)置最大單元大小為17.475 mm，最小單元大小為1.045 mm，圓中最小單元數(shù)為8，單元大小增長比率為1.6，雅可比點為4，網(wǎng)格數(shù)目為1.3093e+005，點擊確認(rèn)，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分完畢之后，在選項下面，選擇運行（求解） 分析，如圖1所示，左圖與右圖的區(qū)別增加了支撐梁，為下一步分別運算分析做準(zhǔn)備。

3 模型運算分析

在Simulation算例樹中，右鍵單擊夾具，然后選擇隱藏全部以隱藏約束符號。右鍵單擊外部載荷并選擇隱藏全部以隱藏載荷符號。通過模擬應(yīng)力對比、位移對比以及應(yīng)變對比來展示具體的靜應(yīng)力運算結(jié)果分析。

3.1 應(yīng)力的對比

雙擊應(yīng)力1（von Mises） 以顯示圖解。

3.1.1 機(jī)身的應(yīng)力分析

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時的應(yīng)力分布情況，如圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時，應(yīng)力主要均勻分布在軸承座內(nèi)圈壁上，內(nèi)壁上顏色較淺；在30000 N時，應(yīng)力分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至軸承座壁厚1/2處，內(nèi)壁上顏色較深，應(yīng)力較大；在40000 N時，應(yīng)力分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至幾乎整個軸承座，顏色深的位置已延伸至整個軸承座，應(yīng)力幾乎穿透軸承座壁厚。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力小于30000 N時，才能滿足最大應(yīng)力8.128e+0.005 N/m2。

3.1.2 機(jī)身帶支撐梁時的應(yīng)力分析

圖1 模型網(wǎng)格圖

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時的應(yīng)力分布情況，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時應(yīng)力主要均勻分布在軸承座內(nèi)圈壁上，內(nèi)壁上顏色較淺；在30000 N時，應(yīng)力分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至軸承座壁厚1/5處，內(nèi)壁上顏色比20000 N時略深，內(nèi)壁上應(yīng)力較大；在40000 N時，應(yīng)力分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至軸承座壁厚1/2處，顏色深的位置已延伸至軸承座壁厚2/3處，應(yīng)力尚未穿透軸承座壁厚。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力不高于30000 N時，才能滿足最大應(yīng)力8.128e+0.005 N/m2。

3.2 位移的對比

雙擊位移1（合位移） 以顯示圖解。

3.2.1 機(jī)身的位移分析

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時的位移分布情況，如圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時，機(jī)身上端面顏色較淺，位移分布主要在上端面；在30000 N時，機(jī)身上端面略深，軸承座顏色較淺，位移分布主要在上端面和軸承座上，在40000 N時，整個機(jī)身1/3以上顏色深，位移分布占據(jù)整個機(jī)身2/3。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力小于30000 N時，才能滿足最大位移量4.347e-0.004 mm。

3.2.2 機(jī)身帶支撐梁時的位移分析

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時的位移分布情況，如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時，軸承顏色較淺，位移分布主要在軸承座；在30000 N時，軸承座顏色比20000 N時略深，位移分布主要在軸承座上；在40000 N時，軸承座顏色比30000 N時相不多，位移分布主要在軸承座上。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力為40000 N時，能滿足最大位移量4.347e-0.004 mm。

3.3 應(yīng)變的對比

雙擊應(yīng)變1（等量） 以顯示圖解。

3.3.1 機(jī)身的應(yīng)變分析

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時的應(yīng)變分布情況，如圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時，軸承座顏色較淺，應(yīng)變分布主要在軸承座內(nèi)圈壁上；在30000 N時，應(yīng)變分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至軸承座壁厚1/2處，內(nèi)壁上顏色較深，應(yīng)變較大；，在40000 N時，應(yīng)變分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至幾乎整個軸承座，顏色深的位置已延伸至整個軸承座，應(yīng)變幾乎穿透軸承座壁厚。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力小于30000 N時，才能滿足最大應(yīng)變值2.661e-0.006。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

3.3.2 機(jī)身帶支撐梁時的應(yīng)變分析

通過模型運算分別得出氣體作用力在20000 N、30000 N、40000 N 時位移的分布情況，如圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）。

結(jié)果分析：

如圖所示，在20000 N時，軸承座顏色較淺，應(yīng)變分布主要在軸承座內(nèi)圈壁上；在30000 N時，應(yīng)變分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至軸承座壁厚1/2處，內(nèi)壁上顏色較深，應(yīng)變較大；在40000 N時，應(yīng)變分布由軸承做內(nèi)圈壁延申至幾乎整個軸承座，顏色深的位置已延伸至整個軸承座，應(yīng)變幾乎穿透軸承座壁厚。通過模型對比分析可直觀的判定機(jī)身在承受氣體作用力小于30000 N時，才能滿足最大應(yīng)變值2.661e-0.006。

3.4 小結(jié)

通過上述模型運算的應(yīng)力、位移、應(yīng)變分析得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)身在無支撐梁的情況下，承受氣體作用力小于30000 N時，機(jī)身上端最為薄弱易發(fā)生變形現(xiàn)象。

（2）機(jī)身在有支撐梁的情況下，承受氣體作用力不高于30000 N時，能夠滿足要求。增加支持梁之后機(jī)身上端薄弱區(qū)域明顯起到加強(qiáng)作用，亦使機(jī)身整體承受氣體力的能力得到提升。

4 結(jié)論

本文以活塞壓縮機(jī)機(jī)身為研究對象，展開在有、無支撐梁時對機(jī)身承受不同氣體力時應(yīng)力、位移、應(yīng)變量的比較。利用SolidWorks Simulation軟件模塊對機(jī)身采用三維模型靜態(tài)應(yīng)力分析法，得到在不同氣體力時應(yīng)力、位移及應(yīng)變變化的分布情況，實現(xiàn)了從理論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為直觀的顏色分布狀態(tài)，大幅縮短了理論驗證過程，提高產(chǎn)品設(shè)計成功率，節(jié)約生產(chǎn)成本，對指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品改進(jìn)具有重要的推進(jìn)意義。