基于Simulation的離心式壓縮機(jī)焊接機(jī)殼靜態(tài)有限元分析

彭建頌++李勇

摘 要：以某型號(hào)離心式壓縮機(jī)焊接機(jī)殼為例，采用Solidworks三維軟件及其Simulation有限元插件對(duì)焊接機(jī)殼進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明該型號(hào)焊接機(jī)殼靜態(tài)下的應(yīng)力和變形均在允許范圍內(nèi)。可為焊接機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī)；焊接機(jī)殼；有限元分析；靜態(tài)應(yīng)力和變形

中圖分類號(hào)：TH452；TB122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

離心式壓縮機(jī)是一種動(dòng)力型壓縮機(jī)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中占有重要的地位，特別是在冶金、石油化工、制藥、天然氣輸送以及動(dòng)力等工業(yè)部門獲得廣泛的應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的機(jī)殼，也稱氣缸，其毛坯通常是鑄鐵件或鑄鋼件。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造機(jī)殼制造周期長(zhǎng)、成本高，而且鑄造出的機(jī)殼通用性差，存在鑄造缺陷，有時(shí)在機(jī)殼加工過程中還要進(jìn)行大量的補(bǔ)焊，甚至于機(jī)殼報(bào)廢，使得鑄造機(jī)殼的開發(fā)和生產(chǎn)受到了限制，制約了企業(yè)的發(fā)展。某透平機(jī)械企業(yè)為了改變這種狀況，嘗試以焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造機(jī)殼，以便加快產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。本文針對(duì)某透平機(jī)械企業(yè)一款離心式壓縮機(jī)焊接機(jī)殼，運(yùn)用有限元法進(jìn)行靜力學(xué)特性分析，依據(jù)數(shù)據(jù)分析，提出合理化建議，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和效率，縮短開發(fā)周期。

1.離心壓縮機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)及參數(shù)

離心壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為水平剖分式、垂直剖分式，該型號(hào)離心壓縮機(jī)為水平剖分式。壓縮機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子被通過軸心線的水平面剖分為上下兩部分，常稱其為上、下機(jī)殼。上、下機(jī)殼用螺栓聯(lián)成一個(gè)整體。機(jī)殼的材料為Q235B。

2.機(jī)殼模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型中焊縫的處理

此次主要分析、考查機(jī)殼的變形及應(yīng)力分布情況，所以在建模過程中，認(rèn)為焊縫與機(jī)殼本體物理機(jī)械性能相同，對(duì)焊縫不做考慮。

2.2 有限元模型的建立

根據(jù)某型號(hào)產(chǎn)品圖紙，采用先進(jìn)的三維實(shí)體建模軟件Solidworks建立模型。該型號(hào)壓縮機(jī)機(jī)殼由殼身、進(jìn)氣蝸室、排氣蝸室、隔板安裝座、錨爪、軸承箱等組成。建模時(shí)特征繁多、曲面復(fù)雜，建模過程中，難免會(huì)存在各種問題，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不成功。因此在不影響整體計(jì)算結(jié)果的情況下，需對(duì)一些結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便有效地快速的劃分網(wǎng)格。在建模時(shí)先采用“實(shí)體分割法”，即將機(jī)殼按上、下機(jī)殼兩個(gè)零件分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)機(jī)殼整體劃分，這樣可增加整體劃分網(wǎng)格的成功幾率。網(wǎng)格劃分時(shí)，參數(shù)選擇必需合理，過粗時(shí)結(jié)果可能包含嚴(yán)重的錯(cuò)誤，過密時(shí)會(huì)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，甚至不能運(yùn)行。因此，可利用“網(wǎng)格控制”的方法針對(duì)上下機(jī)殼的特點(diǎn)或則設(shè)計(jì)需要，控制網(wǎng)格單元的大小，以提高網(wǎng)格劃分的速度和成功率。也可利用壓縮功能，退回到初始特征，依次劃分網(wǎng)格→簡(jiǎn)化或修改特征→再劃分網(wǎng)格→再簡(jiǎn)化或修改特征→直至成功。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，若劃分失敗，還可通過軟件提供的插件“失敗診斷”，查找原因，通過失提示找出解決對(duì)策。模型劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖1所示，網(wǎng)格參數(shù)見表1。

3.約束與載荷

3.1 約束情況

根據(jù)離心壓縮機(jī)的實(shí)際工況，機(jī)殼是通過4個(gè)“錨爪”用螺栓連接在底座上，處于脫離地面的狀態(tài)，所以可簡(jiǎn)化為“錨爪”底面的約束，即限制4個(gè)錨爪底部在X、Y、Z3個(gè)方向的移動(dòng)自由度。

3.2 載荷情況

機(jī)殼中裝有轉(zhuǎn)子、隔板、預(yù)旋器、氣封、油封、軸承等。機(jī)殼自身的重量為9.5t，轉(zhuǎn)子的重量為1.1t，隔板的重量為2.3t，預(yù)旋器的重量為0.45t，氣封、油封、軸承的重量相對(duì)較輕可忽略。機(jī)殼自重作用在重心位置；轉(zhuǎn)子的重量以均布載荷的形式分別作用在兩個(gè)軸承座上，根據(jù)其重心與左、右軸承座的位置關(guān)系可計(jì)算得，施加在左軸承座上的載荷為0.55t，施加在右軸承座上的載荷為0.55t；隔板重量簡(jiǎn)化為與機(jī)殼配合面上的均布載荷；預(yù)旋器重量簡(jiǎn)化為與機(jī)殼配合面上的均布載荷。

4.靜態(tài)載荷結(jié)果分析

經(jīng)上述簡(jiǎn)化和處理，用Solidworks軟件中Simulation有限元插件進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)殼在重力作用下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移以及單元應(yīng)變分布結(jié)果，分別如圖2、圖3、圖4所示。

根據(jù)以上應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖可知，該機(jī)殼的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大位移及其作用位置，見表2。

生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)證明，機(jī)殼必須滿足以下3點(diǎn)要求：強(qiáng)度，要足夠承受氣體介質(zhì)的壓力；剛度，要足以避免在長(zhǎng)期使用中產(chǎn)生變形；密封性能，中分面及出風(fēng)口法蘭結(jié)合面要可靠，以免輸送介質(zhì)外泄。

如圖2所示，機(jī)殼整體應(yīng)力水平較低，基本都處于2MPa以下，錨爪的局部應(yīng)力處于2MPa～6MPa，錨爪與底座連接處尖角位置應(yīng)力集中最大為9MPa，但作用面積很小，對(duì)機(jī)殼整體結(jié)構(gòu)影響不大。結(jié)合圖4所示，最大應(yīng)力、應(yīng)變均集中在錨爪部位，符合實(shí)際情況。將分析所得的最大應(yīng)力數(shù)值與機(jī)殼材料的屈服極限進(jìn)行比較計(jì)算，得到機(jī)殼的最小安全系數(shù)為26.1。

如圖3所示，機(jī)殼位移云圖可看出，一段排氣接管法蘭處有最大位移量為0.0178mm，該處將來聯(lián)接的管道中配有波紋管可以補(bǔ)償位移，固滿足使用要求。上下機(jī)殼水平法蘭面位移最大為0.016mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

從分析結(jié)果可知，離心式壓縮機(jī)焊接機(jī)殼的整體應(yīng)力處于2MPa以下，且最小安全系數(shù)大于26.1，水平面法蘭處最大撓度≤0.1mm，在允許范圍內(nèi)，可保證中分面不漏氣，所以可以判斷在靜態(tài)情況下，壓縮機(jī)機(jī)殼是可靠的、安全的。

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