【文章內容簡介】 9)對于曲柄，情況較復雜。在截面為矩形時，要校核：1)截面短軸端點；2)截面長軸端點；3)矩形角點。各點的應力按以下各式計算：1 )截面短軸端點應力： (310)2)截面長軸端點應力： (311)3)矩形截面角點的應力 (312)在上述各式中，被校核截面處的彎矩、扭矩、軸力均已求出；可以看出，把軸頸應力計算公式代入到靜強度校核公式中，就有： (313)、為抗彎截面模量。根據上述計算公式，得出靜強度計算結果如下表31表31 靜強度計算結果序號曲軸位置特點曲軸截面號危險點安全系數N許用安全系數是否安全1Ⅱ級綜合活塞力絕對值最大9988短軸端點長軸端點矩形角點89555安全安全安全2輸入扭矩最大值99安全88短軸端點長軸端點矩形角點379555安全安全安全其他截面以此類推作曲軸彎矩圖如下。圖32 曲軸彎矩圖如圖所示危險截面為1010截面。 曲軸的有限元分析 模型建立本文使用pro/e軟件建立了2D型壓縮機的曲軸有限元三維實體模型，并將其導入ANSYS軟件中進行了受力分析［２３］。 假設條件，保證網格質量，節(jié)省計算時間，忽略了分布在曲軸上的油孔造成的影響。，且認為沿軸頸厚度方向均勻分布［２４］。 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，+5，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，單擊OK按鈕，關閉該對話框［２５］。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。 網格劃分圖33 曲軸網格劃分在這次設計中我采用的網格劃分方法是自由網格劃分。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 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，觀察確認網格已經生成后，單擊工具條上的SAVE_DB按鈕，保存網格模型，操作到此為止網格劃分完畢［２６］。 進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，關閉該對話框。執(zhí)行Main MenuSolutionAnalysis TypeSol’n Controls命令，彈出Solution Controls對話框。單擊Basic選項卡，設定求解時間1，打開自動時間步長，子步數設為40，最大子步數為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項設為On for all substp，單擊OK按鈕，關閉該對話框，到此求解參數設定完畢［２７］。確定約束位置，曲軸與連桿是圓弧接觸，因此認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行約束的施加［２８］。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，下面默認為Lines，all，點擊Invert，之后單擊OK按鈕。之后就可以進行約束的加載了。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，就可以進行力學求解了。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，求解過程結束。接下來就可以查看曲軸的分析結果了。求解結束時，執(zhí)行Utility MenuFileSave as命令，彈出Save Database對話框，在Save Database ，保存上述的數據結果，單擊OK按鈕，關閉該對話框［２９］。 查看求解結果 圖34 外止點曲軸應力分布云圖 圖35 80176。時曲軸應力分布云圖 圖36 280176。時曲軸應力分布云圖 圖37 內止點曲軸應力分布云圖想要查看變形結果，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果圖，要注意，圖上的變形結果為了讓人可以清晰的觀察是經過夸大化了的，不要與實際變形混為一談，但其數值結果是近似正確的［３０］。查看應力結果，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，其余選項采用默認設置，單擊OK按鈕，可查看曲軸的等效應力等值線圖［３１］。通過本章對曲軸的有限元應力分析，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，再將其導入ANSYS軟件進行靜力分析，模型所受載荷和邊界條件根據實際進行簡化；最后得到曲軸的應力分布云圖和變形云圖；曲軸滿足強度和剛度要求。由上述分析結果可知，當曲軸在上述四種拉壓力作用時，應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力集中，提高曲軸強度。對于連接兩曲柄銷間曲柄應力集中及應變較大的情況，可以考慮通過改變曲柄外形尺寸，在應變較大處增加凸臺，來達到提高曲柄強度降低應變的目的。由于曲軸結構的復雜性， 受載的空間變化性，建立在某些假設基礎上的常規(guī)簡化計算有較大誤差，很難給出較精確的靜強度和疲勞強度安全系數。然而，曲軸的強度直接影響著空壓機的正常運轉。因此, 產品設計時，對各種型號的空壓機曲軸進行三維有限元計算是非常必要的。在曲軸調質處理時，要嚴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。 小結 本章內容為：（1）運用理論計算得到進行有限元分析所需的相關力，并算得曲軸的關鍵截面為1010截面，同時為下一步進行曲軸的有限元分析打下了基礎。（2）運用ANSYS軟件對曲軸進行分析。通過對選取的四個時刻的受力情況進行有限元分析，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值有所偏差。，可以方便地得到在工作壓力下的壓縮機曲軸的應力分布，為壓縮機曲軸強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曲軸的設計和改進提供了理論依據。第4章 連桿有限元分析 對連桿進行有限元分析的重要性連桿是壓縮機運動機構中的重要零件之一，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。其任務是與曲軸一起將輸入壓縮機的旋轉運動轉化為活塞的往復運動。一般中、大型壓縮機連桿均采用球墨鑄鐵或鍛鋼制成。隨著我國石油、化學工業(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，活塞力噸位也逐漸增加，因而要求運動部件強度必須充分可靠。如連桿強度不足，一旦破壞，危害極大，若盲目增大安全系數，會使機器粗笨，造成浪費。過去對連桿進行強度計算，一般采用材料力學中所述的方法，分別對連桿大、小頭及桿體進行校核。對桿體進行直桿拉、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，當然這和連桿的實際情況相差很大，只能粗略地進行強度校核，很難詳細準確地算出各部位應力及位移，無助于連桿的造型設計。近年來，常常采用有限元法解算大量的這類工程實際問題。我們在本次設計中分析2D型活塞式壓縮機連桿時，就采用了有限元法?，F(xiàn)將該機連桿計算結果作一分折，以求對連桿強度計算有所改進，以助于設計。 連桿相關力學計算 連桿尺寸的確定 圖41 連桿結構圖最大活塞力 曲柄半徑 連桿長度 曲柄銷直徑 大頭孔直徑小頭襯套內徑 小頭襯套寬度 小頭襯套厚度 取小頭孔直徑 取連桿中間當量直徑 連桿中間面積 近小頭處連桿直徑 取近大頭處連桿直徑 取連桿寬度 由圖測得 大頭處 取截面的厚度 取大頭處截面的面積 取截面厚度 取小頭處截面面積 截面厚度 取連桿螺栓直徑 取螺栓定位部分直徑 兩連桿螺栓間距離 螺栓在大頭體內長度 螺栓在大頭蓋內長度 連桿螺栓個數 連桿的計算小頭襯套比壓 (41) 連桿的慣性半徑 柔度 桿體的拉壓應力 系數 查《活塞式壓縮機設計》表514，連桿材料35鋼慣性矩 連桿擺動平面縱彎應力 (42) 桿體長度 慣性矩 垂直于連桿擺動平面縱彎應力