基于ADAMS與ANSYS壓縮機曲軸系統多體動力學仿真研究

王超，付景順

（沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

1 前言

隔膜壓縮機與往復壓縮機一樣通過曲軸連桿機構，通過曲軸連桿機構將往復運動轉化為直線運動。曲軸一端連接著電機，另一端連接著連桿部件、十字頭部件、活塞部件等，曲軸是壓縮機運動構件的核心動力源。在壓縮機運轉過程中，曲軸承受著慣性力、往復摩擦力，以及隨著曲柄角度變化而不斷變化的氣體力，因此在設計時需要分析曲軸在各種交變載荷的作用下結構強度是否滿足工作要求，以及曲軸在運轉狀態下的運轉規律和危險截面的應力大小。傳統應力計算不能詳盡的了解曲軸運轉狀態，需要借助虛擬仿真技術加載曲軸連桿機構運行，驗證設計合理性。

2 曲軸系統虛擬樣機建模

2.1 建立曲軸連桿機構各零件實體模型

Adams軟件不適合建立復雜的實體模型，這里需要借用Solidworks軟件完成隔膜壓縮機曲軸連桿機構各零件的實體建模。主要的結構組成包括曲軸部件、連桿部件、十字頭部件、活塞桿部件、中體部件等。

2.2 曲軸系統 Adams 建模

進入Adams/View窗口，導入機體原始模型（格式為x_t）。

導入Adams后，檢查各部件安裝位置，然后設置運動副，設置完運動副，加載動力，驗證模型合理性。

2.3 活塞壓力函數加載

根據隔膜壓縮機參數，得到曲柄在旋轉過程中不同角度的氣體力。如圖1所示。

圖1 氣缸氣體力

曲軸轉速為495r/min,則曲軸旋轉一個周期為1/(495/60)=0.2424s，曲軸的旋轉約束的轉速函數為（495*6）d*time。

對曲軸連桿結構進行多體運動學分析，只需要將氣體力正確加載到活塞表面。

根據氣體力變化，以氣缸1（垂直水平）為例，編制活塞壓力函數并施加在活塞頂部，具體為：

氣體壓力函數加載到模型上，得到活塞壓力曲線，如圖2所示。

圖2 活塞1、2活塞壓力曲線

3 剛柔耦合模型仿真分析

在 ANSYS軟件中可實現對曲軸進行柔性化的處理，并同時生成Adams/View軟件所需要的模態中性文件（.mnf），然后在Adams/View中將原來的剛性曲軸替換成柔性體曲軸，柔性體曲軸帶有曲軸的質量、節點等屬性。經過對柔性體曲軸模態分析發現，曲軸前六階固有頻率變化過小，可忽略不計。

圖3 曲軸連桿機構柔性化模型

在預載荷模態下，獲得曲軸結構最低階次頻率為471Hz.本產品壓縮機曲軸轉n=495r/min，在運轉工況下，轉動基率為16.5Hz，可以避免發生共振現象。

4 運動學分析

運動學仿真是為了連桿、活塞位移、速度、加速度之間的關系。

本例分析過程中，活塞桿1和活塞桿2相位差為90°，以豎直方向為活塞桿1，水平方向為活塞桿2。

5 曲軸強度分析

曲軸在工作過程中曲柄銷承受著復雜的雙作用力狀態，根據第四強度理論，采用等效應力來評估曲軸強度。利用Adams仿真計算得到的數據結果，對曲軸危險工況進行強度計算，得到曲軸在此危險工況下的變形及等效應力分布。

由以上計算可以得到，曲軸受到的瞬時最大應力為42.56MPa，最大變形位移量為0.0082mm，集中發生與曲軸主軸頸的圓角位置。曲軸材料為45鋼，屈服強度為355MPa遠遠大于最大等效應力，結構總體上已經滿足了實際使用性能要求。

圖4 活塞位移、速度

圖5 活塞1的加速度變化曲線

圖6 連桿1對曲軸的軸頸載荷曲線

圖7 連桿2對曲軸的軸頸載荷曲線

6 結語

通過Solidworks對曲軸連桿機構復雜模型進行建模，然后將模型轉入到 Adams進行多剛體運動學仿真，將曲軸進行柔性化處理，可以提高仿真精度。通過Adams/View仿真實驗，得到曲軸在周期運轉下曲柄銷受到的載荷變化，將得到的變化載荷利用ANSYS workbench對曲軸進行加載，完成靜力學分析，驗證了曲軸強度能夠滿足設計要求。