【正文】 (59) 螺母面積 螺母受拉伸應(yīng)力 螺母臺肩壓碎應(yīng)力 截面的面積 截面拉伸應(yīng)力 截面重心 (510) 當(dāng)量長度 截面的抗彎模量 截面最大彎曲應(yīng)力 (511) 截面的面積 截面到孔銷中心線距離圖中測得截面與活塞桿軸夾角圖中測得截面抗彎模量 截面彎曲應(yīng)力 (512) 截面拉伸應(yīng)力 (513) 截面切應(yīng)力 (514) 截面總應(yīng)力 (515) 通過計(jì)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(xiǎn)截面 十字頭的有限元分析 模型建立本文使用pro/e軟件建立了2D型壓縮機(jī)的十字頭有限元三維實(shí)體模型，并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行了受力分析。 假設(shè)條件1．實(shí)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(jì)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(yùn)動平面，且認(rèn)為沿十字頭厚度方向均勻分布。 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(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。 網(wǎng)格劃分圖52 十字頭網(wǎng)格劃分執(zhí)行Utility MenuSelectEntities，在彈出的對話框中，將第一項(xiàng)選為Volumes，第二項(xiàng)選為By Num/Pick，下面默認(rèn)為From Full，點(diǎn)擊Invert，之后單擊OK按鈕。之后選取整個連桿實(shí)體，單擊彈出對話框的OK按鈕。執(zhí)行Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，在Smart Size這項(xiàng)選為5。之后執(zhí)行Main Menu PreprocessorMeshing VolumesFree，之后選取整個連桿實(shí)體，單擊彈出對話框的Pick All按鈕，等待其運(yùn)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。 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 TypeSol’n Controls命令，彈出Solution Controls對話框。單擊Basic選項(xiàng)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(xiàng)卡，在該對話框中，將Linear search項(xiàng)置為ON，同時將DOF solution predictor項(xiàng)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(xiàng)選Lines，第二項(xiàng)選為By Num/Pick，下面默認(rèn)為From Full，點(diǎn)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(xiàng)選Nodes，第二項(xiàng)選為Attached to，下面默認(rèn)為Lines，all，點(diǎn)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(diǎn)。再執(zhí)行Main Menu SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令，選取點(diǎn)，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(xiàng)，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(xiàng)選Lines，第二項(xiàng)選為By Num/Pick，下面默認(rèn)為From Full，點(diǎn)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(xiàng)選Nodes，第二項(xiàng)選為Attached to，下面默認(rèn)為Lines，all，點(diǎn)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(diǎn)。這時再執(zhí)行Main MenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes命令，選取點(diǎn)，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(shí)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 ，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。 查看求解結(jié)果 圖53 外止點(diǎn)十字頭應(yīng)力分布云圖 圖54 80176。時十字頭應(yīng)力分布云圖 圖55 280176。時十字頭應(yīng)力分布云圖 圖56 內(nèi)止點(diǎn)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(xiàng)，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，不要與實(shí)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(xiàng)框中選擇Stressvon Mises stress，其余選項(xiàng)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(shí)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(shí)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(xiǎn)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。其次是十字頭變形。再次，合金層性能問題。接著，外部振動問題。十字頭斷裂的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理與鑄造組織疏松的缺陷共同作用所致，建議廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對十字頭潤滑冷卻通道及活塞銷定位環(huán)安裝位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，充分考慮到結(jié)構(gòu)的合理性，以減小應(yīng)力集中現(xiàn)象；在產(chǎn)品的鑄造過程中，采用合理的工藝，以減少鑄造中產(chǎn)生的縮孔、結(jié)構(gòu)疏松等缺陷，從而增強(qiáng)材料的抗疲勞強(qiáng)度。增大十字頭圓柱面外徑，同時縮小十字頭長度；增大十字頭壁面厚度；擴(kuò)大十字頭銷孔直徑適當(dāng)往連桿方向偏移；盡可能使十字頭壁面厚度均勻。設(shè)計(jì)、制造和安裝精良的十字頭，應(yīng)使活塞桿及活塞在運(yùn)動過程中，其中心線與氣缸中心線重合良好，保證填料與活塞環(huán)有良好的工作條件，既可減少或避免氣體泄漏和偏磨，還可大大提高填料和活塞環(huán)的使用壽命。為此除要求十字頭的幾何尺寸、配合間隙應(yīng)符合要求以外，還應(yīng)使十字頭具有良好的剛度和耐磨性。十字頭又是往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量的重要組成部分，所以在保證足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，應(yīng)力求十字頭體輕巧，以便減少往復(fù)慣性力。機(jī)身滑道與缸體的同心度處理。在缸的支承處加墊片，采用拉鋼絲線電光法檢查機(jī)身滑道與氣缸的同心度，以保證同心度在合理范圍內(nèi)，安裝活塞后檢查活塞桿的跳動值在合理范圍內(nèi)。連桿與十字頭的間隙檢查。為消除安裝假象，應(yīng)把十字頭吊出機(jī)外垂直立起，在連桿的小頭涂上一層紅丹，然后裝入連桿，穿上銷子，盤動連桿在十字頭范圍內(nèi)作最大限度的擺動，檢查接觸的痕跡，用砂輪機(jī)磨去連桿上的高點(diǎn)，反復(fù)檢查，直到?jīng)]有接觸痕跡為止。操作參數(shù)。在工藝操作方面，應(yīng)保證壓縮機(jī)的壓縮比在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，注意監(jiān)控入口壓力不能降低，最好設(shè)置自動保護(hù)裝置。壓縮機(jī)的潤滑系統(tǒng)應(yīng)暢通，潤滑油保證足夠的壓力。 小結(jié)本章內(nèi)容為：（1）運(yùn)用理論計(jì)算算得十字頭有限元分析所需的相關(guān)力，并分析確定十字頭的小頭凸臺底處為危險(xiǎn)截面，同時為下一步進(jìn)行十字頭的有限元分析打下了基礎(chǔ)。（2）運(yùn)用ANSYS軟件對十字頭進(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，確定十字頭的小頭凸臺底處為危險(xiǎn)截面。（3）通過以上幾節(jié)的分析可知，理論計(jì)算與ANSYS分析結(jié)果所確定的危險(xiǎn)截面一致，但由于簡化條件不同計(jì)算數(shù)值有所偏差。結(jié) 論 通過這次對活塞式壓縮機(jī)的有限元分析，我的收獲頗為豐富。論文主體分為五章，第一章簡單介紹有限元對壓縮機(jī)的分析背景以及相關(guān)分析步驟，意義、以及在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。第二章敘述了2D型原料氣活塞式壓縮機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)以及在石油工業(yè)中的應(yīng)用。第三、四、五章是關(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(jì)算以及有限元分析。主要內(nèi)容如下（1）運(yùn)用理論計(jì)算知識對曲軸、連桿、十字頭進(jìn)行計(jì)算，確定其危險(xiǎn)截面及有限元分析所需的相關(guān)力。同時為下一步進(jìn)行有限元分析打下了基礎(chǔ)。（2）運(yùn)用ANSYS軟件對曲軸、連桿、十字頭進(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，確定曲軸、連桿、十字頭的危險(xiǎn)截面分別為曲軸主軸、曲柄銷與曲柄的連接處，連桿的小頭處以及十字頭的小頭凸臺底處。分析所確定的危險(xiǎn)位置與理論計(jì)算基本一致。（3）通過以上的分析可知，理論計(jì)算與ANSYS分析結(jié)果所確定的危險(xiǎn)截面一致，但由于簡化條件不同計(jì)算數(shù)值有所偏差。這有待以后經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)計(jì)算來進(jìn)行優(yōu)化。（4）對以上的危險(xiǎn)截面進(jìn)行相關(guān)的處理，來減少其失效可能，使其運(yùn)行工況相對安全穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[1] 張洪信．有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2006：111，2346，132136．[2] 王崧，董春敏，金云平等．有限元分析ANSYS理論與應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社，2005：135170，498529．[3] Klaus Brun，Marybeth G. 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