2D型活塞壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件的有限元分析論文

大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 I 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 1.1 課題的目的 . 1 1.2 背景 . 1 1.3 課題內(nèi)容及 意義 . 3 第 2 章 活塞式壓縮機(jī)簡介 . 5 2.1 活塞式壓縮機(jī)概述以及相關(guān)參數(shù) . 5 2.2 活塞式壓縮機(jī)分類及結(jié)構(gòu) . 7 2.3 活塞式壓縮機(jī)的工作原理 . 8 2.4 活塞式壓縮機(jī)在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用 . 9 第 3 章 曲軸有限元分析 . 11 3.1 對曲軸進(jìn)行有限元分析的重要性 . 11 3.2 曲軸相關(guān)力學(xué)計算 . 12 3.3 曲軸的有限元分析 . 19 3.4 小結(jié) . 23 第 4 章 連桿有限元分析 . 24 4.1 對連桿進(jìn)行有限元分析的重要性 . 24 4.2 連桿相關(guān)力學(xué)計算 . 24 4.3 連桿的有限元分析 . 32 4.4 小結(jié) . 35 第 5 章 十字頭有限元分析 . 37 5.1 對十字頭進(jìn)行有限元分析的重要性 . 37 5.2 十字頭相關(guān)力學(xué)計算 . 37 5.3 十字頭的有限元分析 . 42 5.4 小結(jié) . 46 結(jié) 論 . 48 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 II 參考文獻(xiàn) . 49 致 謝 . 51 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 第 1章 緒 論 1.1 課題的 目的 本次畢業(yè)設(shè)計的題目 是“ 2D型活塞壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件的有限元分析”。 課題的目 的 是 對活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、功能以及 應(yīng)用 等方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)的了解。重點在于 運用 ANSYS軟件 分析 2D型活塞式壓縮機(jī)的關(guān)鍵零部件 ，并 通過對 ANSYS軟件的學(xué)習(xí)， 掌握 該軟件 完成 有限元分析的方法與步 驟， 并運用軟件 對畢業(yè)設(shè)計中 具體 給定的壓縮機(jī)實例進(jìn)行分析，通過 完成整個 分析過程 使自己達(dá)到 對 ANSYS軟件的熟練操作 ，證明 ANSYS軟件可以簡潔快速的完成相關(guān)課題的分析。 解決以上問題就是本文的中心目的。 1.2 背景 活塞式壓縮機(jī) 是容積型壓縮機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種 ，也是石油化工行業(yè)中比較重要的機(jī)械之一，各項工業(yè)流程幾乎都可以看到它的身影。不論是物料的運輸、加工及成型都少不了它的參與，因此對壓縮機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析是一項必不可少的關(guān)鍵性工作。活塞式壓縮機(jī)的易損件很多，其形狀，受力狀態(tài)又不是很規(guī)律，因此用常規(guī)的計算方法很難展開 工作，而且由于理論工況與實際工況存在著不小的差距，所以計算的結(jié)果的誤差也很難讓人接受。 計算的結(jié)果有時也很難讓人接受，從而無法解決實際問題。 這時，有限元方法的出現(xiàn)讓人眼前一亮。 它把分析的物體劃分成有限多個 單元，再分別對這些單元進(jìn)行分析，分析的結(jié)果大大減小了誤差，導(dǎo)入相應(yīng)軟件進(jìn)行分析也大大減輕了繁瑣的計算工作量。 有限元法就是這樣發(fā)展起來的。 有限元方法是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種在計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)和計算工程科學(xué)領(lǐng)域最有效的現(xiàn)代計算方法。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展已經(jīng)使各種不同的有限元方法形態(tài)相當(dāng)豐富，理論 基礎(chǔ)相當(dāng)完善，并且開發(fā)了一批通用和專用有限元軟件，如 ANSYS、 MSCNASTRAN、 MSCMARC、 ABAQUS和 ALGOR 等。有限元方法正被日益廣泛的用于計算機(jī)輔助工程分析（ CAE） ,并與計算機(jī)輔助設(shè)計（ CAD）和計算機(jī)輔助制造（ CAM）等集合成一體為計算機(jī)整體制造 (CIM)。隨著新產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)的需求日益增加，產(chǎn)品質(zhì)量與成本控制越來越嚴(yán)格，有限元計算技術(shù)顯示出極大的優(yōu)越性。它可以幫助工業(yè)界降低成本，改進(jìn)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的周期 。在眾多可用的通用和專用有限元軟件中，大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 ANSYS 是最為通 用和有效的商用有限元軟件之一，用戶也是最廣。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā) ,它能與多數(shù) CAD 軟件接口 ,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。 作為一個流行的工程設(shè)計軟件，具有三維立體幾何構(gòu)造，計算模擬，虛擬成形試樣產(chǎn)品等功能，已被工業(yè)界公認(rèn)為十分有效的計算和分析工具。它是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件 。 該項目在我國發(fā)展正處于初步階段，相關(guān)資料并不充分 ， 在我國 該軟件 大部分應(yīng)用 于對靜設(shè)備進(jìn)行 分析。 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題 。由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計的要求。例如建 筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)諸如 MARC、 ABQUS 和 ADINA 等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛 應(yīng)用于工程實踐 。 1965 年“有限元”這個名詞第一次出現(xiàn) ， 到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用 ， 經(jīng)歷了 30多年的發(fā)展歷史 ,理論和算法都已經(jīng)日趨完善?，F(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算 ， 其在機(jī)械制造 、 材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器 、 國防軍工 、 船舶 、 鐵道 、 石化 、 能源 、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍 。 有限元方法是數(shù)值計算中的一種離散化方法。用數(shù)學(xué)術(shù)語來說 ,就是從變分原理出發(fā) ， 通過分區(qū)插值 ， 把二次泛函 （ 能量積分 ） 的極值問題轉(zhuǎn)化為一組多元線性代數(shù)方程來求解 ； 從物理和幾何概念來說 ， 有限元方法是結(jié)構(gòu)分析的一種計算方法 ， 是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用 ， 其基本思想是將彈性體劃分為有限個單元 ， 對每個單元 ， 用有限個參數(shù)來描述它的力學(xué)特性 ， 而整個連續(xù)彈性體的力學(xué)特性可認(rèn)為是這些小單元力學(xué)特性的總和 ， 從而建立起連續(xù)體的力平衡關(guān)系。這種方法常用于復(fù)雜彈性振動系統(tǒng) ， 其求解方式現(xiàn)在有多種可利用的商業(yè)化軟件 ， 這里我們應(yīng)用 ANSYS軟件系統(tǒng) 。 有限元分析步驟如下： 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 3 第一步 ， 問題及求解域定義 ： 根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 第二步 ， 求解域離散化 ： 將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域 ， 習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小 （ 網(wǎng)絡(luò)越細(xì) ） 則離散域的近似程度越好 ， 計算結(jié)果也越精確 ， 但計算量及誤差都將增大 ， 因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。 第三步 ， 確定狀態(tài)變量及控制方法 ： 一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示 ， 為適合有限元求解 ， 通常將微分方程化為等價的泛函形式。 第四步 ， 單元推導(dǎo) ： 對單元構(gòu)造一個適合的近似解 ， 即推導(dǎo)有限單元的列式 ，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系 ， 建立 單元試函數(shù) ， 以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系 ， 從而形成單元矩陣。 第五步 ， 總裝求解 ： 將單元總裝形成離散域的總矩陣方程 （ 聯(lián)合方程組 ），反映對近似求解域的離散域的要求 ， 即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行 ， 狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)連續(xù)性建立在結(jié)點處。 第六步 ， 聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋 ： 有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組 ， 聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量 ， 將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價 ， 并確定是否需要重復(fù)計算 。 利 用 ANSYS軟件 進(jìn)行模態(tài)分析的過程分為 4個步驟 ： （ 1） 建模 ；（ 2） 加載求解 ； （ 3） 擴(kuò)展模態(tài) ； （ 4） 觀察結(jié)果。 1.3 課題內(nèi)容 及 意義 壓縮機(jī)的性能測試涉及到熱動力學(xué)、流體力學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和現(xiàn)代控制理論。壓縮機(jī)性能測試對于研究和改善壓縮機(jī)的熱力性能及可靠性具有重要的意義。隨著計算機(jī)技術(shù)及自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展 ， 工業(yè)計算機(jī)越來越廣泛地被運用到各種控制系統(tǒng)中。利用計算機(jī)友好的人機(jī)界面 ， 實現(xiàn)人機(jī)對話和監(jiān)控系統(tǒng) ， 并可借助計算機(jī)強(qiáng)大的運算和管理能力 ， 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存 ， 實現(xiàn)壓縮機(jī)性能測試。其中軟件的設(shè)計是最為重要的 ， 它直接面向用戶 ， 并且決定了測試系統(tǒng)的功能。 該軟件可以將分析的物體進(jìn)行有限元化，并通過設(shè)定參數(shù)和求解過程對其進(jìn)行力學(xué)分析，讓人可以直觀、形象的了解所分析結(jié)構(gòu)的受力情況。 課題的內(nèi)容為 了解活塞式壓縮機(jī)在石油化工工業(yè)中的 實際 應(yīng)用， 同時 了解 2D型活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，重點完成 2D型活塞式壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件的有限元計算和分析 （ 應(yīng)用 ANSYS軟件 對壓縮機(jī)重要 零部件 進(jìn)行應(yīng)力分析， 通過 對 相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)對所研究的零部件進(jìn)行 建模、實參數(shù)的選擇及確定、力學(xué)狀態(tài)選擇、大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 載荷虛擬加載、受力加載分析，之后根據(jù)所生成的圖像 觀察其應(yīng)力 分布情況、最危險截面位置以及零部件變形情況、位移大小等，根據(jù)這些分析的結(jié)果來確定其結(jié)構(gòu)的 合理程度 并進(jìn)行相關(guān)校核計算，以及 討論 對于分析結(jié)果的解決方法），并將分析結(jié)果用圖表、圖像等方法具體、生動的展現(xiàn)出來，從而完成有限元分析過程。 論文主體 內(nèi)容 分為 五 章， 第一章 緒論 是關(guān)于 應(yīng)用 有限元分析 方法 的 簡單介紹 ，第二 章是關(guān)于活塞式壓縮機(jī)簡介的內(nèi)容，第 三 、四、五 章是 關(guān)于活塞 式 壓縮機(jī)的曲軸、連桿 以及十字頭 的相關(guān)力學(xué)計算以及有限元分析。 該畢業(yè)設(shè)計是 在理論力學(xué)與材料力學(xué)的基礎(chǔ)上，對研究對象（壓縮機(jī)傳動機(jī)構(gòu)）在一定工況所確定的載荷作 用下其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及屈服穩(wěn)定性情況有一定的了解，并以直觀的圖像、表格等 形式 表現(xiàn)出來。 根據(jù)這些圖像以及理論計算的內(nèi)容相比較從而解決工程問題。 在企業(yè)中可根據(jù)所計算得到的結(jié)構(gòu)上各處位移和應(yīng)力的分布結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，判斷所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，從而避免某些結(jié)構(gòu)或零部件由于過大的應(yīng)力壓曲失穩(wěn)而損壞、并控制機(jī)械結(jié)構(gòu)整體及其零部件的剛性性能， 能夠?qū)^復(fù)雜機(jī)械零件進(jìn)行靜力分析，并能基本掌握機(jī)械的非線性分析和瞬態(tài)分析，能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械零部件進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析，對簡單裝配件進(jìn)行接觸分析 ANSYS 軟 件的功能如下： 基于工程學(xué)的理論以及許多數(shù)值分析的理論技術(shù) ； 可解決大部分工程上的問題 ； 使用相當(dāng)有效的解題方法 ； 以用戶為導(dǎo)向，容易定義問題 ； 完全由問題的定義推得結(jié)果 ； 有完整且蘊含高度技巧性的圖形表示能力 ； 有完整的幫助文件和完整的例題，而且經(jīng)過許多驗證 ； 有完整的工程及技術(shù)人員繼續(xù)開發(fā)新技術(shù) ； 每年有完整的研討會，并有完整的電子公告欄以幫助用戶解決遇到的問 題 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 第 2章 活塞式壓縮機(jī)簡介 2.1 活塞式壓縮機(jī)概述 以及相關(guān)參數(shù) 從世界范圍內(nèi)看壓縮機(jī)的發(fā)展歷程和概況?；钊綁嚎s機(jī)的發(fā)展歷史悠久，具有豐富的設(shè)計、研究、制造和運行的 經(jīng)驗，至今在各個領(lǐng)域中依然被廣泛采用、發(fā)展著。然而，也必須注意到，制冷壓縮機(jī)的不斷進(jìn)步也反映在其種類的多樣性方面，活塞式以外的各類壓縮機(jī)機(jī)型，如離心式、螺桿式、滾動轉(zhuǎn)子式和渦旋式等均被有效地開發(fā)和利用，并各具特色，這就為我們制冷工程的業(yè)內(nèi)人士在機(jī)型的選擇上提供了更多的可能性。在這樣的背景之下，活塞式壓縮機(jī)的使用范圍必然受到一定影響而出現(xiàn)逐漸縮小的趨勢，這一趨勢在大冷量范圍內(nèi)表現(xiàn)得更為顯著。在中小冷量范圍內(nèi)，實際上還是以活塞式壓縮機(jī)為主 。 活塞式壓縮機(jī) 屬于容積式壓縮機(jī)，適用于中小輸氣量，排氣壓力可從低壓直至超高壓，與其它類型壓縮機(jī)相比，具有 如下 一系列特點 ： 首先，運動機(jī)構(gòu)的尺寸確定后，工作腔的容積變化規(guī)律也就確定了，因此，機(jī)器轉(zhuǎn)速的改變對工作腔容積變化規(guī)律不發(fā)生直接影響，故機(jī)器壓力與流量關(guān)系不大，工作的穩(wěn)定性較好。 其次，氣體的吸入與排出是靠工作腔容積變化，與氣體性質(zhì)關(guān)系不大，故機(jī)器適應(yīng)性強(qiáng)并容易達(dá)到較高的壓力。 再次，機(jī)器的熱效率較高。 最后，容積式機(jī)器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其是往復(fù) 式壓縮機(jī)易于損壞的零件多。此外，氣體吸入和排出是間歇的，容易引起氣柱及管道的振動 。 活塞式壓縮機(jī) 在 各種場合，特別是 在 中小制冷范圍內(nèi)，成為應(yīng)用最廣、生產(chǎn)批量最大 的 一種機(jī)型。 本文研究的對象是 2D40-51.5/4-32-BX型原料氣壓縮機(jī) 。 關(guān)于活塞壓縮機(jī)的曲軸、連桿及十字頭的相關(guān)力學(xué)計算以及有限元分析。 選取幾個有代表意義的位置進(jìn)行分析。運用有限元進(jìn)行力學(xué)加載分析，根據(jù)計算生成的應(yīng)力云圖確定其危險截面，并與理論計算進(jìn)行比較，判斷其危險截面所在，并根據(jù)其力學(xué)分析結(jié)果針對確定的危險截面總結(jié)相應(yīng)的應(yīng)對措施來減 少其失效可能，使其運行工況相對安全穩(wěn)定。 以下為 原料氣壓縮機(jī)性能參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo) 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 6 表 2-1 原料氣壓縮機(jī)性能參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo) 項 目 單 位 參數(shù)值及技術(shù)指標(biāo) 設(shè)備位號 P-1201A/B 型號名稱 2D40-51.5/4-32-BX 型原料氣壓縮機(jī) 介質(zhì)名稱 原料氣 組 成 (體積百分?jǐn)?shù) %) H2O NH3 H2S N2 H2 CH4 0.197 0.024 60ppm 1.319 12.35 59.37 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 iC5H12 nC5H12 6.57 7.836 4.179 5.544 0.261 2.249 C5H10 C6H14 0.004 0.097 級 數(shù) 級 級 吸氣壓力 MPa(G) 0.4 1.15 排氣壓力 MPa(G) 1.15 3.2 吸氣溫度 45 40 排氣溫度 105 105 各級安全閥開啟壓力 MPa(G) 1.27 3.52 排 氣 量 m3/h 12768 軸 功 率 KW 1060 轉(zhuǎn)向 從非驅(qū)動端看壓縮機(jī)為 逆時針 冷卻水總進(jìn)水壓力 MPa(G) 0.3 活塞桿摩擦表面溫度 1100 曲軸轉(zhuǎn)速 r/min 333 填料充氮壓力 MPa(G) 0.1 循環(huán)油量 L/min 100 氮氣消耗量 Nm3/h 6 潤滑油系統(tǒng)供油壓力 MPa(G) 0.3 0.4 潤滑油系統(tǒng)供油溫度 45 主軸承溫度 65 電機(jī)定子溫度 135 供氣缸水溫度 40 50 供填料水溫度 35 機(jī)身振動 g 2 填料冷卻水過濾差壓 MPa(G) PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，彈出Element Type對話框，單擊 Add按鈕，在彈出的對話框中選擇 Structural及其下的Solid，在其右邊的滾動欄中選擇 8node 45，單擊 OK按鈕。 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，彈出 Define Material Model Behavior 對話框， 在右邊 的 菜 單 中 ， 連 續(xù) 雙 擊StructuralLinearElasticIsotropic 后又 出現(xiàn)一 個 Linear isotropic Properties for Material Number 1對話框，在 EX后面的輸入欄中輸入 2.1E+5，在 PRXY后面的輸入欄中輸入 0.3，單擊 OK按鈕，接著繼續(xù)在 Define Material Model Behavior對話框中連續(xù)雙擊 StructuralDensity，彈出密度定義對話框，在 DENS后面的輸入欄中輸入7.85E-9，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框 。 到此 曲軸模型的 單元類型的選擇及材料屬性的定義工作完畢 。 3.3.4 網(wǎng)格劃分 圖 3-3 曲軸網(wǎng)格劃分 在 這 次 設(shè) 計 中 我 采 用 的 網(wǎng) 格 劃 分 方 法 是 自 由 網(wǎng) 格 劃 分 。 執(zhí) 行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中， 將第一項選為 Volumes，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取整個曲軸 實 體 ， 單 擊 彈 出 對 話 框 的 OK 按鈕。執(zhí)行 Main 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 21 MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在 Smart Size這項選為 5。之后執(zhí)行 Main Menu PreprocessorMeshing VolumesFree，之后選取整個曲軸實體，單擊彈出對話框的 Pick All按鈕，等待其運行完畢，觀察確認(rèn)網(wǎng)格已經(jīng)生成后，單擊工具條上的 SAVE_DB按鈕，保存網(wǎng)格模型，操作到此為止網(wǎng)格劃分完畢 。 3.3.5 進(jìn)入求解器加載并求解 執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，彈出 New Analysis對話框，選擇分析類型為 Static，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，彈出 Solution Controls對話框。單擊 Basic選項卡，設(shè)定求解時間 1，打開自動時間步長，子步數(shù)設(shè)為 40，最大子步數(shù)為 100。之后單擊 Solution Controls對話框上的 Nonlinear選項卡，在該對話框中，將 Linear search項置為 ON，同時將 DOF solution predictor項設(shè)為 On for all substp，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框，到此求解參數(shù)設(shè)定完畢 。 確定約束位置 ， 曲軸與連桿是圓弧接觸，因此認(rèn)為力是作用在一條線上。 曲軸的受力情況可以簡化為其兩端的軸部受到約束，兩個曲拐上受到連桿的載荷先進(jìn)行約束的施加 。 第一 步 ， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。 第二 步 ， 選取 實體上 所加 約束 的線，單擊彈出對話框的 OK按鈕。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后就可以進(jìn)行約束的加載了 。 第三 步 ， 執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加約束的幾個點。再執(zhí)行Main Menu SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定約束的大小和方向，這里方向選 ALL DOF選項，大小確定為零，單擊 OK按鈕，約束施加完畢。 曲軸兩端的約束均是這樣施加的。 接下來進(jìn)行力的加載操作。力的加載方法與約束加載方法大致相同 。 第四 步 ， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取 所加力的線 ，單擊彈出對 話框的 OK 按鈕。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。 第五 步 ， 之后執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加載力的幾個節(jié)點。這時再執(zhí)行 Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 22 Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定力的大小和方向，單擊 OK按鈕，力的加載結(jié)束。 曲軸兩個曲拐處的力均是這樣加載 的 。 待力和約束都施加完畢以后，就可以進(jìn)行力學(xué)求解了。先執(zhí)行 Utility MenuSelectEverything 命令， 選擇 曲軸 的所 有分析實體 。接著執(zhí)行 Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，彈出 Solve Current Load Step對話框，單擊OK按鈕開始 求解，直到彈出 Solution is done對話框，單擊 Close按鈕，求解過程結(jié)束。 接下來就可以查看曲軸的分析結(jié)果了。 求解結(jié)束時，執(zhí)行 Utility MenuFileSave as命令，彈出 Save Database對話框，在 Save Database to輸入欄中輸入 Results.db，保存上述的數(shù)據(jù)結(jié)果，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框 。 3.3.6 查看求解結(jié)果 圖 3-4 外止點 曲軸應(yīng)力分布云圖 圖 3-5 80 時 曲軸應(yīng)力分布云圖 圖 3-6 280 時 曲軸應(yīng)力分布云圖 圖 3-7 內(nèi)止點 曲軸應(yīng)力分布云圖 想 要 查 看 變 形 結(jié) 果 ， 可 執(zhí) 行 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，彈出 Plot Deformed Shape對話框，在 KUND Items to be plotted中選擇 Def+undef edge選項，單擊 OK按鈕，屏幕上自動生成曲軸變形結(jié)果圖，要注意，圖上的變形結(jié)果為了讓人可以清晰的觀察是經(jīng)過夸大化了的，不要與實際變形混為一談，但其數(shù)值結(jié)果是近似正確的 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 23 查看應(yīng)力結(jié)果，可執(zhí)行 Main Menu General PostprocPlot ResultsContour PlotNode Solu命令，彈出 Contour Nodal Solution Data對話框，在 Item to be contoured選項框中選擇 Stressvon Mises stress，其余選 項采用默認(rèn)設(shè)置，單擊 OK按鈕，可查看曲軸的等效應(yīng)力等值線圖 。 通過本章對曲軸的有限元應(yīng)力分析，我們可知：在分析過程中利用 pro/e 軟件建立曲軸的三維實體模型，再將其導(dǎo)入 ANSYS 軟件進(jìn)行靜力分析，模型所受載荷和邊界條件根據(jù)實際進(jìn)行簡化；最后得到曲軸的應(yīng)力分布云圖和變形云圖；曲軸滿足強(qiáng)度和剛度要求。由上述分析結(jié)果可知，當(dāng)曲軸在上述四種拉壓力作用時，應(yīng)力的最大值集中在曲軸主軸、曲柄銷與曲柄的連接處。 對于上述應(yīng)力集中的區(qū)域，可以考慮改變主軸、曲柄銷與曲柄連接處的過渡圓弧的半徑來減少應(yīng)力集中，提高曲軸強(qiáng)度 。對于連接兩曲柄銷間曲柄應(yīng)力集中及應(yīng)變較大的情況，可以考慮通過改變曲柄外形尺寸，在應(yīng)變較大處增加凸臺，來達(dá)到提高曲柄強(qiáng)度降低應(yīng)變的目的。由于曲軸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 ， 受載的空間變化性 ， 建立在某些假設(shè)基礎(chǔ)上的常規(guī)簡化計算有較大誤差 ， 很難給出較精確的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。然而 ， 曲軸的強(qiáng)度直接影響著空壓機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。因此 , 產(chǎn)品設(shè)計時 ， 對各種型號的空壓機(jī)曲軸進(jìn)行三維有限元計算是非常必要的 。 在曲軸調(diào)質(zhì)處理時 ， 要嚴(yán)格控制淬火加熱溫度 、 保溫時間及冷卻速度 ， 杜絕過熱現(xiàn)象的出現(xiàn) ， 在正確回火溫度下進(jìn)行回火 ， 保證回火保溫時間 ， 通 過正確的熱處理工藝 ，以得到回火索氏體組織 ， 確保曲軸具有良好的綜合機(jī)械性能。另外 ， 合理地選擇加工工藝、加工精度、表面光潔度也是提高曲軸使用壽命的重要途徑。 3.4 小結(jié) 本章內(nèi)容為： （ 1）運用理論計算 得到進(jìn)行有限元分析所需的相關(guān)力，并 算得曲軸的關(guān)鍵截面為 10-10 截面 ，同時 為下一步進(jìn)行曲軸的有限元分析打 下了 基礎(chǔ)。 （ 2）運用 ANSYS 軟件對 曲軸進(jìn)行分析 。 通過對選取的四個時刻的受力情況進(jìn)行 有限元分 析， 確定危險截面為 在曲軸主軸、曲柄銷與曲柄的連接處。 （ 3） 通過以上分析可知，理論計算與 ANSYS 分析結(jié)果所確定的危險截 面一致， 但由于簡化條件不同算得的具體 數(shù)值有所偏差。 應(yīng)用 ANSYS10.0軟件進(jìn)行有限元分析，可以方便地得到在工作壓力下的壓縮機(jī)曲軸的應(yīng)力分布 ， 為壓縮機(jī)曲軸強(qiáng)度的校核提供了一個方便可靠的計算工具 ，同時為 活塞式 壓縮機(jī)曲軸的設(shè)計和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 24 第 4章 連桿有限元分析 4.1 對連桿進(jìn)行有限元分析的重要性 連桿是壓縮機(jī)運動機(jī)構(gòu)中的重要零件之一 ，包括大頭、小頭、桿體三部分，大頭一端與曲柄銷相連，小頭端與十字頭銷（或活塞銷）相連。 其任務(wù)是與曲軸一起將輸入壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動。一般中、大型壓縮機(jī)連桿均采用 球墨鑄鐵或鍛鋼制成。隨著我國石油、化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展 ， 大型合成氨等需要更多的大型高壓活塞式壓縮機(jī) ， 活塞力噸位也逐漸增加 ， 因而要求運動部件強(qiáng)度必須充分可靠。如連桿強(qiáng)度不足 ， 一旦破壞 ， 危害極大 ， 若盲目增大安全系數(shù) ， 會使機(jī)器粗 笨 ， 造成浪費。過去對連桿 進(jìn)行 強(qiáng)度計算 ， 一般采用材料力學(xué)中所述的方法 ， 分別對連桿大、小頭及桿體進(jìn)行校核。對桿體進(jìn)行直桿拉、壓校核。將連桿大、小頭作為靜不定曲梁 ， 其上作用均布或余弦載荷 ， 計算幾個危險截面 ， 當(dāng)然這和連桿的實際情況相差很大 ， 只能粗略地進(jìn)行強(qiáng)度校核 ， 很難詳細(xì)準(zhǔn)確地算出各部位應(yīng)力及位移 ， 無助于連桿的造型設(shè)計。近年來 ， 常常采用有限元法解算大量的 這類 工程實際問題。我們在 本次 設(shè)計 中分析 2D型 活塞 式 壓縮機(jī)連桿時 ， 就 采用了有限元法?，F(xiàn)將該機(jī)連桿計算結(jié)果作一分折 ， 以求對連桿強(qiáng)度計算有所改進(jìn) ， 以助于設(shè)計。 4.2 連桿相關(guān)力學(xué)計算 4.2.1 連桿尺寸的確定 圖 4-1 連桿結(jié)構(gòu)圖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 25 最大活塞力 p 256KNF 曲柄半徑 32 1 6 c m22SR 連桿長度 85cmL 曲柄銷直徑 25cmD 大頭孔直徑 1 26.2cmD 小頭襯套內(nèi)徑 14.5cmd 小頭襯套寬度 14.5cmb 小頭襯套厚度 ( 0 . 0 6 0 . 0 7 )Sd 0 . 0 6 1 4 . 5 0 . 8 7 c mS 取 0.8cmS 小頭孔直徑 1 2d d S 1 1 4 . 5 2 0 . 8 1 6 . 1d 取1 16cmd 連桿中間當(dāng)量直徑 m (1 . 6 5 2 . 4 5 )dP m 2 . 2 2 5 . 6 1 1 . 1 3 c md 連桿中間面積 2mm 4dF 2 2m1 1 . 1 3 9 7 . 2 c m4F 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 26 近小頭處連桿直徑 m0.9dd 0 . 9 1 1 . 1 3 1 0 . 0 2 c md 取 10cmd 近大頭處連桿直徑 m1.1dd 1 . 1 1 1 . 1 3 1 2 . 2 4 c md 取 12cmd 連桿寬度 由圖測得 11.25cmB 大頭處 AA 截 面 積 Am1 . 3 8 1 . 6FF（ ） 2A 1 . 5 9 7 . 2 1 4 5 . 8 c mF 取 2A 146cmF 截面 AA 的厚度 AA FS B AA 146 1 2 . 9 8 c m1 1 . 2 5FS B 取A 13cmS 大頭處截面 BB 的面積 Bm(1 .3 1 .4 )FF 2B 1 . 3 9 7 . 2 1 2 6 . 3 6 c mF 取 2B 127cmF 截面 BB 厚度 BB FS B 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 27 B 127 1 1 . 2 9 c m1 1 . 2 5S 取 11.3cmBS 小頭處截面 CC 面積 Cm( 0 .8 1 .0 )FF 2C 0 . 8 5 9 7 . 2 8 2 . 6 2 c mF 283cmCF 截面 CC 厚度 CC FS B C 83 7 . 3 8 c m1 1 . 2 5S 取C 7.4cmS 連桿螺栓 直徑 0 ( 0 . 8 5 1 . 6 )dP 0 1 . 0 5 2 5 . 6 5 . 3 1 3 c md 取0 5.4cmd 螺栓定位部分直徑 20 ( 0 . 1 0 . 2 )dd 2 5 4 0 . 2 5 4 . 2 c md 兩連桿螺栓間距離 0 33cml 螺栓在大頭體內(nèi)長度 1 ( 0 .5 5 0 .6 5 )lD 1 0 . 6 2 5 1 5 c ml 螺栓在大頭蓋內(nèi)長度 2 ( 0 .5 0 .6 5 )lD 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 28 2 0 . 6 2 5 1 5 c ml 連桿螺栓個數(shù) 2Z 連桿的計算 小頭襯套比壓 PP db (4-1) 256000 1 2 1 7 . 6 1 3 0 0 1 5 0 01 4 . 5 1 4 . 5P 連桿的慣性半徑 m4di 1 1 . 1 32 . 7 84i 柔度 850 3 0 5 . 7 62 . 7 8Li 桿體的拉壓應(yīng)力 p mpF 2p 256000 2 6 3 3 . 7 4 N / c m9 7 . 2 系數(shù) 41 .3 7 1 0C 查活塞式壓縮機(jī)設(shè)計表 5-14，連桿材料 35 鋼 慣性矩 4mx 64dJ 4 4x3 . 1 4 1 1 . 1 37 5 2 . 9 c m64J 連桿擺動平面縱彎應(yīng)力 2CB xLPCJ (4-2) 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 29 2 - 4 2CB852 5 6 0 0 0 1 . 3 7 1 0 3 3 6 . 6 N / c m7 5 2 . 9 桿體長度 11 22D dLL 1 2 6 . 2 1 68 5 5 5 . 9 c m22L 慣性矩 4my 64dJ 4 4y3 . 1 4 1 1 . 1 37 5 2 . 9 c m64J 垂直于連桿擺動平面縱彎應(yīng)力 2 1CBy4LPCJ (4-3) 2 - 4 2CB5 5 . 92 5 6 0 0 0 1 . 3 7 1 0 3 6 . 4 N / c m4 7 5 2 . 9 在連桿擺動總應(yīng)力 1 p cb 21 2 6 3 3 . 7 4 3 3 6 . 6 2 9 7 0 . 3 4 N / c m 垂直于連桿擺動平面總應(yīng)力 2 p C B 22 2 6 3 3 . 7 4 3 6 . 4 2 6 7 0 . 1 4 N / c m 大頭蓋截面 AA 的抗彎截 面模數(shù) 2AA 6BSW 2 3A1 1 . 2 5 1 2 . 9 83 1 5 . 9 c m6W 截面 AA 彎曲應(yīng)力 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 30 BA()24DplW (4-4) 22B252 5 6 0 0 0 ( 3 3 )2 4 1 5 3 . 2 N / c m 8 0 0 0 1 2 0 0 0 N / c m4 3 1 5 . 9 小于許用應(yīng)力，安全 大頭蓋截面 BB 的抗彎模數(shù) 2BB 6BSW 2 3B1 1 . 2 5 1 1 . 32 3 9 . 4 c m6W 大頭蓋截面 BB 重心到連桿螺栓線的距離 10cmb 截面 BB 與連桿螺栓線的夾角 35 截面 BB 彎曲應(yīng)力 B B2PbW (4-5) 2B 2 5 6 0 0 0 1 05 3 4 6 . 7 N / c m2 2 3 9 . 4 截面 BB 拉壓應(yīng)力 p Bsin2P F (4-6) 2p 2 5 6 0 0 0 s i n 3 55 7 8 . 1 N / c m2 1 2 7 截面 BB 剪應(yīng)力 Bcos2P F (4-7) 22 5 6 0 0 0 c o s8 1 6 . 4 N / c m2 1 2 7 截面 BB 總應(yīng)力 22pB( ) 4 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 31 2222( 5 7 8 . 1 5 3 4 6 . 7 ) 4 8 1 6 . 46 1 4 6 . 7 N / c m 6 0 0 0 8 0 0 0 N / c m 小頭處截面 CC 的抗彎模數(shù) 2CC 6BSW 2 3C1 1 . 2 5 7 . 41 0 2 . 7 c m6W 小頭側(cè)壁中心間距 1Dl d S 1 6 4 2 0 c ml 截面 CC 的彎曲應(yīng)力 BC()38dplW (4-8) 22B1 4 . 52 5 6 0 0 0 ( 2 0 )3 4 7 3 6 . 1 N / c m 6 0 0 0 8 0 0 0 N / c m8 1 0 2 . 7 截面 DD 彎曲應(yīng)力 B D8PlW (4-9) 2B 2 5 6 0 0 0 2 06 2 3 1 . 7 N / c m8 1 0 2 . 7 截面 DD 的拉應(yīng)力 p D2PF 2p 256000 1 5 4 2 . 2 N / c m2 8 3 截面 DD 總應(yīng)力 PB 221 5 4 2 . 2 6 2 3 1 . 7 7 7 7 3 . 9 N / c m 8 0 0 0 1 0 0 0 0 N / c m 經(jīng)過以上分析， 連桿的小頭處截面積最小， 應(yīng)力最大， 因此危險截面為連桿小頭處。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 32 4.3 連桿的有限元分析 4.3.1 模型建 立 本文使用 pro/e軟件 建立了 2D型 壓縮 機(jī)的 連桿有限元三維實體模型 ， 并將其導(dǎo)入 ANSYS軟件 中進(jìn)行了 受力 分析。 4.3.2 假設(shè)條件 連桿是由連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦和連桿螺栓等零件組成的。 斷裂連桿的失效形式為疲勞斷裂 ， 裂紋起源于連桿螺孔齒根或齒面應(yīng)力集中部位。熱處理工藝不當(dāng)降低了連桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 ， 使硬度也偏低 ， 在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋源 ， 擴(kuò)展后導(dǎo)致連桿斷裂 ， 這是連桿失效的主要原因。 本文根據(jù)連桿的結(jié)構(gòu)形狀特點 ， 以有限元計算的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量、求解時間及精度等為基本尺度 ， 在連桿建模時 ， 必須做一些簡化 ， 這些簡化是以不 影響連桿的動靜力學(xué)特性為前提的。 1 實際過程中 ， 考慮到螺栓取了足夠的預(yù)緊力 ， 在有限元分析模型中 ， 連桿與連桿大頭蓋在有限元分析中被認(rèn)為連接成一體 ； 2 為了避免局部網(wǎng)格過密 ， 保證網(wǎng)格質(zhì)量 ， 節(jié)省計算時間 ， 忽略了分布在連桿上的油孔 、 定位銷釘孔等造成的影響 ； 3 作用在連桿上的所有載荷均平行于連桿擺動平面 ， 且認(rèn)為沿連桿厚度方向均勻分布。 4.3.3 選擇單元類型及定義材料屬性 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，彈出Element Type對話框，單 擊 Add按鈕，在彈出的對話框中選擇 Structural及其下的Solid，在其右邊的滾動欄中選擇 8node 45，單擊 OK按鈕。 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，彈出 Define Material Model Behavior 對話框，在右邊的菜單中，連續(xù)雙擊StructuralLinearElasticIsotropic 后又 出現(xiàn)一 個 Linear isotropic Properties for Material Number 1對話框，在 EX后面的輸入欄中輸入 2.1E+5，在 PRXY后面的輸入欄中輸入 0.3，單擊 OK按鈕，接著繼續(xù)在 Define Material Model Behavior對話框中連續(xù)雙擊 StructuralDensity，彈出密度定義對話框，在 DENS后面的輸入欄中輸入7.85E-9，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框 。 到此 連桿模型的 單元類型的選擇及材料屬性的定義工作完畢。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 33 4.3.4 網(wǎng)格劃分 在這次設(shè)計中我采用的網(wǎng)格劃分方法是自由網(wǎng)格劃分。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在 彈出的對話框中，將第一項選為 Volumes，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取整個連桿 實 體 ， 單 擊 彈 出 對 話 框 的 OK 按鈕。執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在 Smart Size這項選為 5。之后執(zhí)行 Main Menu PreprocessorMeshing VolumesFree，之后選取整個連桿實體，單擊彈出對話框的 Pick All按鈕，等待其運行完畢，觀察確認(rèn)網(wǎng)格已經(jīng)生成后，單 擊工具條上的 SAVE_DB按鈕，保存網(wǎng)格模型，操作到此為止網(wǎng)格劃分完畢。 圖 4-2 連桿網(wǎng)格劃分 4.3.5 進(jìn)入求解器加載并求解 執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，彈出 New Analysis對話框，選擇分析類型為 Static，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。 執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，彈出 Solution Controls對話框。單擊 Basic選項卡，設(shè)定求解時間 1，打開自 動時間步長，子步數(shù)設(shè)為 40，最大子步數(shù)為 100。 之后單擊 Solution Controls對話框上的 Nonlinear選項卡，在該對話框中，將 Linear search項置為 ON，同時將 DOF solution predictor項設(shè)為 On for all substp，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框，到此求解參數(shù)設(shè)定完畢。 連桿與曲軸是圓弧接觸，因此認(rèn)為力 與約束都 是作用在一條線上。 連桿的受力情況可簡化為二力桿的受力情況，小頭一端受力，大頭一端進(jìn)行約束。先進(jìn)行約束的施加 。 第一步， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 34 Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。 第二步， 之后選取所加力的線，單擊彈出對話框的 OK按鈕。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。 之后 就 可以進(jìn)行約束 的加載了 。 第三步， 執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加 約束 的幾個點。再執(zhí)行Main Menu SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定 約束 的大小和方向， 這里方向選 ALL DOF選項，大小確定為零， 單擊 OK按鈕， 約束施加完畢 。 接下來進(jìn)行力的加載操作。力的加載方法與約束加載方法大致相同 。 第四步， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取 所加力的線 ，單擊彈出對 話框的 OK 按鈕。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。 第五步， 之后執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加 載 力的幾個 節(jié) 點。這時 再執(zhí)行 Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定力的大小和方向，單擊 OK按鈕， 力的加載 結(jié)束。 待力和約束都施加完畢以后，就可以進(jìn)行力學(xué)求解了。先執(zhí)行 Utility MenuSelectEverything 命令， 選擇連桿的所 有分析實體 。接著執(zhí)行 Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，彈出 Solve Current Load Step對話框，單擊OK按鈕開始求解，直到彈出 Solution is done對話框 ，單擊 Close按鈕，求解過程結(jié)束。 求解結(jié)束時， 執(zhí)行 Utility MenuFileSave as命令，彈出 Save Database對話框，在 Save Database to輸入欄中輸入 Results.db，保存上述的數(shù)據(jù)結(jié)果，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。 接下來就可以查看連桿的分析結(jié)果了 。 4.3.6 查看求解結(jié)果 想 要 查 看 變 形 結(jié) 果 ， 可 執(zhí) 行 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，彈出 Plot Deformed Shape對話框，在 KUND Items to be plotted中選擇 Def+undef edge選項，單擊 OK按鈕，屏幕上自動生成連桿變形結(jié)果圖，要注意，圖上的變形結(jié)果為了讓人可以清晰的觀察是經(jīng)過夸大化了的，不要與實際變形混為一談，但其數(shù)值結(jié)果是近似正確的。 查看應(yīng)力結(jié)果，可執(zhí)行 Main Menu General PostprocPlot ResultsContour PlotNode Solu命令，彈出 Contour Nodal Solution Data對話框，在 Item to be 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 35 contoured選項框中 選擇 Stressvon Mises stress，其余選項采用默認(rèn)設(shè)置，單擊 OK按鈕，可查看等效應(yīng)力等值線圖。 圖 4-3 外止點 連桿應(yīng)力分布云圖 圖 4-4 80 時 連桿應(yīng)力分布云圖 圖 4-3 280時 連桿應(yīng)力分布云圖 圖 4-4 內(nèi)止點 連桿應(yīng)力分布云圖 通過本章對連桿的有限元應(yīng)力分析，我們可知：在分析過程中利用 pro/e 軟件建立連桿的 三維實體模型 ，再將其 導(dǎo)入 ANSYS 軟件進(jìn)行靜力分析 ， 模型所受載荷和邊界條件根據(jù)實際進(jìn)行簡化 ， 最后得到連桿的應(yīng)力分布云圖和變形云圖。 在曲軸運行到 290 時應(yīng)力最大。 由上述分析計算結(jié)果可知 ,當(dāng)連桿在受拉狀態(tài)下時 ，應(yīng)力的最大值集中在連桿的小頭處。同時 ， 在連桿桿身與大頭連接處同樣存在較大的應(yīng)力。通過計算分析可以得出 ， 在設(shè)計壓力下工作的壓縮 機(jī) 連桿滿足強(qiáng)度和剛度要求。對于上述應(yīng)力集中的區(qū)域 ， 可以考慮在連桿小頭處加工一個凸臺 ， 以加強(qiáng)此處的強(qiáng)度。同時 ， 通過改變連桿桿身與大小頭連接處的過渡圓弧的半徑來減少應(yīng)力集中 ， 提高連桿強(qiáng) 度。除此之外 ， 為防止連桿失效還有以下建議：嚴(yán)格安裝工藝，螺絲緊固均勻，避免偏載，避免附加應(yīng)力；機(jī)加工時保證臺肩根部有足夠的圓弧過度；注意控制材質(zhì)的強(qiáng)度，使強(qiáng)度和塑、韌性有恰當(dāng)配合。 4.4 小結(jié) 本章內(nèi)容為： （ 1）運用理論計算算得連桿 有限元 分析所需的相關(guān)力。 并分析確定危險截面大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 36 為 連桿的小頭處 ，同時 為下一步進(jìn)行連桿的有限元分析打 下了 基礎(chǔ)。 （ 2）運用 ANSYS 軟件對連桿進(jìn)行 分析 。通過對選取的四個時刻的受力情況進(jìn)行有限元分析， 應(yīng)力的最大值集中在連桿的小頭處。同時 ， 在連桿桿身與大頭連接處同樣存在較大的應(yīng)力。 （ 3）通過以 上 幾節(jié)的 分析可知，理論計算與 ANSYS 分析結(jié)果所確定的危險截面一致， 但由于簡化條件不同 數(shù)值有所偏差。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 37 第 5章 十字頭有限元分析 5.1 對十字頭進(jìn)行有限元分析的重要性 十字頭也稱滑塊， 作為大中型壓縮機(jī)主要運動部件之一 ， 它的作用是實現(xiàn)運動方式的轉(zhuǎn)換 ， 因而其受力較為復(fù)雜 ， 對結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)和制造過程要求較高。十字頭是連接連桿和活塞桿的零件，因活塞桿與十字頭銷在十字頭內(nèi)成十字而得名 ，它 將曲柄機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動 ， 通過連桿和十字頭的運動轉(zhuǎn)換變成直線運動 ， 以推動活塞的功能運動。由于十字頭在這個運動過程中受力情況比連桿、活塞桿都相對復(fù)雜 ， 而且 它和滑道構(gòu)成了一對運動副 ， 所以對十字頭的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料、制造工藝等都提出了很高的要求。不僅如此 ， 十字頭還是 D系列壓縮機(jī)的易損件之一。通過長期的探討和研究 ， 關(guān)于十字頭的基本結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、潤滑系統(tǒng)以及運動配合間隙等 ， 都建立了行之有效的方案 ， 所以只要零件加工精度達(dá)到要求 ， 裝配合格 ， 正常情況下 ， 試車前階段不會出現(xiàn)故障?，F(xiàn)在的主要毛病在于使用一段時間后 (有時甚至 1、 2 個 h)， 十字頭發(fā)生事故的實例屢見不鮮。事實證明 ， 十字頭失效通常是由于潤滑故障引起的。如何比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、變形的大小及分布和十字頭的固有頻率及振型 ， 對于指導(dǎo)十字頭的設(shè)計和改進(jìn)具有重要意義。 5.2 十字頭相關(guān)力學(xué)計算 5.2.1 十字頭尺寸確定 表 5-1 十字頭尺寸確定 序號 名稱 符號 單位 公式、參數(shù)的選擇及計算 1 名義活塞力 PF kN P 256F 2 滑履直徑 D cm 39.6D 3 滑履長度 L cm 47.2L 4 滑履寬度 B cm 25B 5 十字頭銷直徑 d cm 14.5d 6 十字頭銷孔座厚度 S cm 7.6S 7 十字頭體厚度 1S cm 1 4.4S 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 38 續(xù)表 5-1 表 5-1 十字頭尺寸確定 8 與活塞桿連接處直徑 0d cm 0 14.8d 9 活塞桿面積 A 2cm 70.8A 10 十字頭頸部壁厚 2S cm 200 .3 6 5 .3Sd 11 十字頭頸部實際直徑 2d cm 2 1 22 4 2 . 2d d S 12 截面 AA 面積 A 2cm 22( 4 2 . 2 3 1 . 6 ) 6 1 44AA 13 截面 BB 面積 BA 2cm 0 . 2 5 0 . 2 5 2 5 6 6 4BAP 14 截面 BB 寬度 b cm 64 8.47.6b 5.2.2 十字頭強(qiáng)度與比壓校核 圖 5-1 十字頭計算圖 活塞力 P 256kNF 十字頭銷孔座平均直徑 m 14.5cmd 十字頭銷孔座比壓 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 39 3Pqm2FF dS (5-1) 322q 256000 1 1 6 2 / 3 5 0 0 4 5 0 0 N / c m2 1 4 . 5 7 . 6F N c m 連桿徑長比 0.188 側(cè)向力 nPFF (5-2) n 0 . 1 8 8 2 5 6 4 8 . 1 3 k NF 十字頭總重 2.9kNG 滑履比壓 nq1 FGF LB (5-3) q 1 a4 8 . 1 3 2 . 94 3 P4 7 . 2 2 5F 連桿小頭襯套寬度 14.5cm 十字頭銷支承座距離 l b S 1 4 . 5 7 . 6 2 2 . 1 c ml 十字頭與活塞桿連接處活塞桿柔度 S lEA (5-4) 8S 712 0 . 8 1 02 . 1 1 0 7 0 . 8 十字頭銷彎曲應(yīng)力 bb 44016 ()( ) 2 4PdF lbdd (5-5) 2bb 41 6 1 4 . 5 2 5 6 0 0 0 2 2 . 1 1 4 . 5( ) 3 1 7 7 N / c m1 4 . 5 2 4 十字頭銷為實心，所以0 0d 十字頭體柔度 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 40 c lEA (5-6) 8c 74 7 . 2 0 . 3 7 1 02 . 1 1 0 6 1 4 外載荷系數(shù) csc (5-7) 880 . 3 7 1 0 0 . 3 1 6( 0 . 8 0 . 3 7 ) 1 0 預(yù)緊系數(shù) 23K 取 2K 預(yù)緊力 tPF KF (5-8) t 2 2 5 6 5 1 2 k NF 螺紋拉伸力 Q t PF F F (5-9) Q 5 1 2 0 . 3 1 6 2 5 6 5 9 2 . 9 k NF 螺母面積 22f 1 0()4A d d 2 2 2f (1 3 . 4 9 . 5 ) 7 0 . 1 c m4A 螺母受拉伸應(yīng)力 tbfFA 22b 512 7 3 0 3 N / c m 1 0 0 0 0 N / c m7 0 . 1 螺母臺肩壓碎應(yīng)力 Qbc 2221()4Fdd 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 41 22bc 22592896 4 7 1 . 7 N / c m 7 0 0 0 N / c m( 4 2 . 2 1 3 . 4 )4 截面 AA 的面積 2 2 2A ( 4 2 . 2 3 1 . 6 ) 6 1 4 c m4A 截面 AA 拉伸應(yīng)力 QPAFA 22P 592896 9 6 5 . 6 N / c m 6 0 0 0 N / c m614 截面 BB 重心 m2dbr (5-10) 1 4 . 5 8 . 41 1 . 5 c m2r 當(dāng)量長度 2 2 3cmlr 截面 BB 的抗彎模量 21B 6SbW 2 3B4 . 4 8 . 4 5 1 . 7 c m6W 截面 BB 最大彎曲應(yīng)力 Pmbb ()1 6 3FdlW (5-11) 22bb 2 5 6 0 0 0 1 4 . 5( 2 3 ) 5 5 8 7 N / c m 1 0 0 0 0 N / c m1 6 5 1 . 7 3 截面 CC 的面積 22C 0 0()8A D d 2 2 2C ( 2 8 2 3 ) 1 0 0 c m8A 截面 CC 到孔銷中心線距離 5.5cma 圖中測得 截面 CC 與活塞桿軸夾角 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 42 35 圖中測得 截面 CC 抗彎模量 34 3C 42 3 2 3(1 ) 3 2 5 . 3 c m6 4 2 8W 截面 CC 彎曲應(yīng)力 PbbC2FaW (5-12) 2bb 2 5 6 0 0 0 5 . 5 2 1 6 4 N / c m2 1 0 0 截面 CC 拉伸應(yīng)力 PbCsin2F A (5-13) 2b 2 5 6 0 0 0 s i n 3 57 3 3 . 4 N / c m2 1 0 0 截面 CC 切應(yīng)力 PCcos2F A (5-14) 22 5 6 0 0 0 c o s 3 51 0 4 7 . 5 N / c m2 1 0 0 截面 CC 總應(yīng)力 22b b b( ) 4 (5-15) 2222( 2 1 6 4 7 3 3 . 4 ) 4 1 0 4 7 . 52 8 9 8 N / c m 6 0 0 0 N / c m 通過計算發(fā)現(xiàn)十字頭與活塞桿連接處承受最大應(yīng)力，該處為危險截面 5.3 十字頭的有限元分析 5.3.1 模型建立 本文 使用 pro/e軟件 建立了 2D型壓縮機(jī)的十字頭有限元三維實體模型 ， 并將其導(dǎo)入 ANSYS軟件 中進(jìn)行了受力分析。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 43 5.3.2 假設(shè)條件 1 實際過程中 ， 考慮到螺栓取了足夠的預(yù)緊力 ， 在有限元分析模型中 ， 整個十字頭 在 有限元分析中被認(rèn)為連接成一體 ； 2 為了避免局部網(wǎng)格過密 ， 保證網(wǎng)格質(zhì)量 ， 節(jié)省計算時間 ， 忽略了分布在 十字頭 上 各種孔道 等造成的影響 ； 3 作用在 十字頭 上的所有載荷均平行于 十字頭運動 平面 ， 且認(rèn)為沿 十字頭 厚度方向均勻分布。 5.3.3 選擇單元類型及定義材料屬性 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，彈出Element Type對話框，單擊 Add按鈕，在彈出的對話框中選擇 Structural及其下的Solid，在其右邊的滾動欄中選擇 8node 45，單擊 OK按鈕。 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，彈出 Define Material Model Behavior 對話框，在右邊的菜單中，連續(xù)雙擊StructuralLinearElasticIsotropic 后又 出現(xiàn)一 個 Linear isotropic Properties for Material Number 1對話框，在 EX后面的輸入欄中輸入 2.1E+5，在 PRXY后面的輸入欄中輸入 0.3，單擊 OK按鈕，接著繼續(xù)在 Define Material Model Behavior對話框中連續(xù)雙擊 StructuralDensity，彈出密度定義對話框，在 DENS后面的輸入欄中輸入7.85E-9，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。 到此連桿模型的單元類型的選擇及材料屬性的定義工作完畢。 5.3.4 網(wǎng)格劃分 圖 5-2 十字頭網(wǎng)格劃分 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 44 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選為 Volumes，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取整個連桿實體，單擊彈出對話框的 OK 按鈕。執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在 Smart Size這項選為 5。之后執(zhí)行 Main Menu PreprocessorMeshing VolumesFree，之后選取整個連桿實體，單擊彈出對話框的 Pick All按鈕，等待其運行完畢，觀察確認(rèn)網(wǎng)格已經(jīng)生成后，單擊工具條上的 SAVE_DB按鈕，保存網(wǎng)格模型，操作到此為止網(wǎng)格劃分完畢。 5.3.5 進(jìn)入求解器加載并求解 執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，彈出 New Analysis對話框，選擇分析類型為 Static，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。執(zhí)行 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls命令，彈出 Solution Controls對話框。單擊 Basic選項卡 ，設(shè)定求解時間 1，打開自動時間步長，子步數(shù)設(shè)為 40，最大子步數(shù)為 100。之后單擊 Solution Controls對話框上的 Nonlinear選項卡，在該對話框中，將 Linear search項置為 ON，同時將 DOF solution predictor項設(shè)為 On for all substp，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框，到此求解參數(shù)設(shè)定完畢。 十字頭 與 連桿是圓弧接觸，因此認(rèn)為力與約束都是作用在一條線上。十字頭的受力情況可簡化 為下端約束，十字頭銷處受力 。先進(jìn)行約束的施加 。 第一步， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取所加力的線，單擊彈出對話框的 OK按鈕。 第二步， 執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后就可以進(jìn)行約束的加載了 。 第三步， 執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加約束的幾個點。再執(zhí)行Main Menu SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定約束的大小和方向，這里方向選 ALL DOF選項，大小確定為零，單擊 OK按鈕，約束施加完畢。接下來進(jìn)行力的加載操作。 第 四 步 ， 力 的 加 載 方 法 與 約 束 加 載 方 法 大 致 相 同 ， 執(zhí) 行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Lines，第二項選為 By Num/Pick，下面默認(rèn)為 From Full，點擊 Invert，之后單擊 OK按鈕。之后選取所加力的線，單擊彈出對話框的 OK按鈕。執(zhí)行 Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項選 Nodes，第二項選為 Attached to，下面默認(rèn)為 Lines， all，點擊Invert，之后單擊 OK按鈕。 第五步， 之后執(zhí)行 Utility MenuPlotNodes，顯示出所需加載力的幾個節(jié)點。大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 45 這時再執(zhí)行 Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，選取點，單擊 OK按鈕，在彈出的對話框中確定力的大小和方向，單擊 OK按鈕，力的加載結(jié)束。 待力和約束都施加完畢以后，就可以進(jìn)行力學(xué)求解了。先執(zhí)行 Utility MenuSelectEverything命令，選擇 十字頭 的所有分析實體。接著執(zhí)行 Main MenuSolutionSolveCurrent LS命令，彈出 Solve Current Load Step對話框，單擊OK按鈕開始求解，直到彈出 Solution is done對 話框，單擊 Close按鈕，求解過程結(jié)束。求解結(jié)束時，執(zhí)行 Utility MenuFileSave as命令，彈出 Save Database對話框，在 Save Database to輸入欄中輸入 Results.db，保存上述的數(shù)據(jù)結(jié)果，單擊 OK按鈕，關(guān)閉該對話框。接下來就可以查看 十字頭 的分析結(jié)果了。 5.3.6 查看求解結(jié)果 圖 5-3 外止點 十字頭應(yīng)力分布云圖 圖 5-4 80 時 十字頭應(yīng)力分布云圖 圖 5-5 280 時 十字頭應(yīng)力分布云圖 圖 5-6 內(nèi)止點 十字頭應(yīng)力分布云圖 想 要 查 看 變 形 結(jié) 果 ， 可 執(zhí) 行 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，彈出 Plot Deformed Shape對話框，在 KUND Items to be plotted中選擇 Def+undef edge選項，單擊 OK按鈕，屏幕上自動生成 十字頭 變形結(jié)果圖，要注意，圖上的變形結(jié)果為了讓人可以清晰的觀察是經(jīng)過夸 大化了的，不大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)論文 46 要與實際變形混為一談，但其數(shù)值結(jié)果是近似正確的。 查看 十字頭 應(yīng)力結(jié)果，可執(zhí)行 Main Menu General PostprocPlot ResultsContour PlotNode Solu命令，彈出 Contour Nodal Solution Data對話框，在Item to be contoured選項框中選擇 Stressvon Mises stress，其余選項采用默認(rèn)設(shè)置，單擊 OK按鈕，可查看等效應(yīng)力等值線圖。 通過本章對十字頭的有限元應(yīng)力分析，我們在在分析過程中利用 pro/e軟件建立十字頭的三維實體模型 ，再將其 導(dǎo)入 ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析 ， 模型所受載荷和邊界條件根據(jù)實際進(jìn)行簡化 ； 最后得到十字頭的應(yīng)力分布云圖和變形云圖。 在曲軸 290度時應(yīng)力最大。 可見十字頭的小頭凸臺底處為危險截面。 對 以上分析結(jié)果可能引起的十字頭 的各種失效因素及處理方法都有 了一定 了解。 對分析結(jié)果處失效的原因 現(xiàn)總結(jié)如下。 首先，十字頭和滑道加工精度不夠。 其次是