请珍藏Ansys Mechanical压缩机强度分析报告-附模型

导读：压缩机强度分析是一项复杂而重要的工作，需要综合运用理论计算、有限元分析和实验测试等方法，对压缩机的各个部件进行全面的强度评估和优化设计，以确保压缩机在各种工作条件下能够安全可靠地运行。本文来自仿真秀专栏作者的匿名投稿，这是他在工作过程中，总结的一份压缩机强度分析报告，包含详情的分析步骤讲解，希望对压缩机研发工程师，尤其是仿真学习者有所帮助。

一、压缩机强度分析报告

压缩机强度分析是确保压缩机在工作过程中能够安全可靠运行的重要环节。它确保压缩机结构在各种工作载荷下不会发生过度变形或破坏，保证设备的完整性和稳定性。评估压缩机关键部件的应力水平，确定其是否在材料的许用应力范围内，以防止疲劳失效和断裂。为压缩机的设计优化提供依据，通过改进结构、选择合适的材料等方式提高其强度和可靠性。

1、失效评定准则

通过静力分析仿真，得到压缩机的变形应力之后，可以与已知的许用变形以及材料许用应力进行比较。如果超过了材料的屈服应力，则会发生塑性变形，因为强度不满足要求。如果超过了许用变形要求，认为刚度不满足要求。

2、仿真分析的总体方案

根据要求，仿真分析的内容包括压缩机1个工况的静态强度分析，首先确定总体技术方案，总体技术方案及主要CAE步骤包括如下内容：

1）几何模型清理与预处理；

2）材料参数获取、输入及调整；

3）网格划分：建立压缩机的强度计算网格模型，包括网格单元尺寸的选择、单元类型的选择等；

4）)网格模型检查：根据单元质量标准对完成的压缩机静强度计算网格模型进行网格质量检查，并根据网格质量检查结果对网格模型进行优化，提高网格模型质量，使之满足强度计算的要求；

5）)连接关系建立及检查；

6）边界条件的确定、验证及施加方法：对边界条件进行确定与验证，保证能够真实反映压缩机的工作状态；

7））施加边界条件与提交计算：将经过验证的边界条件施加到强度仿真分析模型上，完成强度求解器的参数设置并提交计算；

8）初步测试求解及精细求解；

9）结果后处理：对计算完成得到的结果进行处理工作，输出计算结果图片、表格、曲线等；

10）编写计算报告：根据最终设计模型所得到的仿真计算结果编写计算报告， 整理计算程序等资料。

二、有限元前处理

1、4种仿真分析工况概述

根据设计要求，需要对压缩机进行2种不同材料的静力分析。Workbench下仿真分析流程图如下图所示：

2、材料模型

压缩机材料全部为QT500-7或者QT600，需要的材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比、屈服应力，其中屈服应力分别为320MPa和370MPa。QT500-7和QT600的材料参数如下图所示：

3、几何模型

将压缩机几何模型导入DM中进行模型的检查、修复和处理。模型无对称特点，因此采用全模型进行分析。DM中，清理局部小特征，如小孔、文字标签等。压缩机内部未做任何模型处理，保留曲面，尽量贴近实际模型，提高仿真的精度，但是会增加网格数量。处理前和处理后的压缩机模型分别如下图所示：

4、有限元网格

由于模型非常复杂，内部圆角多，因此，网格全部采用高阶带有中节点的四面体网格，经过验证中节点四面体网格与六面体网格精度非常接近。

划分后的网格如图所示，网格数582万多个，节点数112万多个，需要求解的方程个数为1122019乘以6，等于673万个方程。平均网格质量为0.81，网格质量较好。网格数量足够多和精细，且网格质量超过0.8，满足强度分析对网格的要求。

5、连接关系

压缩机几个体之间均为绑定接触。具体绑定细节如下：

6、边界及载荷

根据压缩机实际工作情况，在底部4个螺栓孔施加UXUZ以及RXRY约束，在UY方向施加弹性支撑，支撑刚度取2000N/mm。

电机端内部施加10MPa压力，轴承端内部施加10MPa压力，缸盖高压区施加15MPa压力，低压区施加10MPa压力，机体

电机端内部施加10MPa压力，轴承端内部施加10MPa压力，缸盖高压区施加15MPa压力，低压区施加10MPa压力，分别如下图所示：

三、QT500-7压缩机强度及疲劳结果分析

通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：

（1）最大变形为6.7695mm。如下图1所示。

变形云图

（2）最大应力为617.84MPa，出现在压缩机约束的螺栓孔边缘，为应力奇异点，所以该值没用参考意义。

整体等效应力云图

（3）进一步分析可见，大于320MPa的区域如下图3所示，主要在螺栓孔以及压缩机内部加强筋拐弯位置，也是应力奇异，所以，压缩机整体没有发生屈服。

图3 大于320MPa的区域

（4）大于200MPa的区域如下图4所示，仍然主要为螺栓孔和压缩机内部加强筋拐弯位置，属于局部应力集中，由于这些位置结构较好，因此强度满足要求。

图-大于200MPa的区域

（5）而150-200MPa应力范围的区域如图5所示；该部分区域发生在压缩机壁面上，强度有待加强。具体的应力值见图6。应力值200MPa，从疲劳理论来讲，应力高，疲劳寿命会显著降低，因此对于耐久使用要求的压缩机来说，应力值整体都小于160MPa（屈服强度的一半）较为合理。

（6）通过以上分析，在图6所示位置，还可以进一步对结构进行加强，如增大壁厚，或者采用更宽的加强筋。

图-大于150MPa且小于200mpa的区域

图-薄弱位置应力值

（7）图7，电机及轴承座外部端面，应力均未超过100MPa。

（8）图8，轴承端盖，最大应力233MPa，发生在圆弧拐角位置，为应力集中引起。

（9）图9，电机，最大应力229.6MPa，发生在圆弧拐角位置，为应力集中引起。

（10）图10，缸盖，最大应力258MPa，发生在圆弧拐角位置，为应力集中引起。

其他位置应力图

图-轴承端盖应力

图-电机应力

图-缸盖应力

（11）进一步粗略分析了压缩机的疲劳寿命，可见带加强筋的壁面位置疲劳寿命最低为13766次，寿命较低。

图-疲劳寿命

四、QT600压缩机强度及疲劳结果分析

通过有限元计算得到的变形及应力如下图所示：

1)最大变形为6.7476mm，略小于材料为QT500-7时的最大变形6.7695mm。因此QT600刚度好于QT500-7,如下图1所示。

变形云图

2)最大应力为618.75mpAa，略大于QT500-7的617.84MPa，出现在压缩机约束的螺栓孔边缘，为应力奇异点，所以该值没用参考意义。

整体等效应力云图

3)进一步分析可见，大于320MPa的区域如下图3所示，主要在螺栓孔以及压缩机内部加强筋拐弯位置，也是应力奇异，所以，压缩机整体没有发生屈服。

图-大于320MPa的区域

4)大于200MPa的区域如下图4所示，仍然主要为螺栓孔和压缩机内部加强筋拐弯位置，属于局部应力集中，由于这些位置结构较好，因此强度满足要求。

图-大于200MPa的区域

5)而150-200MPa应力范围的区域如图5所示；该部分区域发生在压缩机壁面上，强度有待加强。具体的应力值见图6。应力值200MPa，从疲劳理论来讲，应力高，疲劳寿命会显著降低，因此对于耐久使用要求的压缩机来说，应力值整体都小于160MPa（屈服强度的一半）较为合理。

6)通过以上分析，还可以进一步对结构进行加强，如增大壁厚，或者采用更宽的加强筋。

图-大于150MPa且小于200mpa的区域

7)进一步粗略分析了压缩机的疲劳寿命，可见带加强筋的壁面位置疲劳寿命最低为26207次（QT500-7该位置为13766次），寿命较低。

图6疲劳寿命云图

图-另一侧疲劳寿命云图

五、结论

本章介绍了压缩机的不同材料的强度仿真分析，包括2种材料的静力分析。经过分析，得出如下结论：

（1）满足强度要求；

（2）压缩机带加强筋的壁面上，强度有待加强，如增大壁厚，或者采用更宽的加强筋。以提高压缩机的寿命。

（3）从疲劳领域来讲，局部应力偏高一点，疲劳寿命就会降低非常多；经过对比，QT500-7薄壁位置最低寿命为13766次，QT600同一位置寿命为26207次。可见，疲劳寿命对应力及材料UTS（抗拉强度）非常敏感，因此，要么增大材料UTS，要么降低材料应力，都将会极大的提高压缩机的寿命。

（4）QT600与QT500-7相比，变形略小，应力值略大，而他们的屈服应力分别为370和320MPA，差别还是比较大。因此，材料方面建议采用屈服应力以及UTS更大的QT600。

来源：仿真秀App