基于Simulation的離心式壓縮機焊接機殼靜態有限元分析

彭建頌++李勇

摘 要：以某型號離心式壓縮機焊接機殼為例，采用Solidworks三維軟件及其Simulation有限元插件對焊接機殼進行了靜態有限元分析。根據計算結果，分析應力和應變云圖數據，數據表明該型號焊接機殼靜態下的應力和變形均在允許范圍內。可為焊接機殼結構設計提供依據。

關鍵詞：離心壓縮機；焊接機殼；有限元分析；靜態應力和變形

中圖分類號：TH452；TB122 文獻標識碼：A

0.引言

離心式壓縮機是一種動力型壓縮機，在國民經濟各部門中占有重要的地位，特別是在冶金、石油化工、制藥、天然氣輸送以及動力等工業部門獲得廣泛的應用。離心壓縮機的機殼，也稱氣缸，其毛坯通常是鑄鐵件或鑄鋼件。實際生產中發現，鑄造機殼制造周期長、成本高，而且鑄造出的機殼通用性差，存在鑄造缺陷，有時在機殼加工過程中還要進行大量的補焊，甚至于機殼報廢，使得鑄造機殼的開發和生產受到了限制，制約了企業的發展。某透平機械企業為了改變這種狀況，嘗試以焊接結構設計制造機殼，以便加快產品的開發和生產。本文針對某透平機械企業一款離心式壓縮機焊接機殼，運用有限元法進行靜力學特性分析，依據數據分析，提出合理化建議，從而提高產品設計水平和效率，縮短開發周期。

1.離心壓縮機機殼結構及參數

離心壓縮機按結構特點可以分為水平剖分式、垂直剖分式，該型號離心壓縮機為水平剖分式。壓縮機由定子和轉子兩部分組成，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、下機殼。上、下機殼用螺栓聯成一個整體。機殼的材料為Q235B。

2.機殼模型的建立及網格劃分

2.1 模型中焊縫的處理

此次主要分析、考查機殼的變形及應力分布情況，所以在建模過程中，認為焊縫與機殼本體物理機械性能相同，對焊縫不做考慮。

2.2 有限元模型的建立

根據某型號產品圖紙，采用先進的三維實體建模軟件Solidworks建立模型。該型號壓縮機機殼由殼身、進氣蝸室、排氣蝸室、隔板安裝座、錨爪、軸承箱等組成。建模時特征繁多、曲面復雜，建模過程中，難免會存在各種問題，導致網格劃分不成功。因此在不影響整體計算結果的情況下，需對一些結構特征進行合理簡化，以便有效地快速的劃分網格。在建模時先采用“實體分割法”，即將機殼按上、下機殼兩個零件分別進行網格劃分，然后對機殼整體劃分，這樣可增加整體劃分網格的成功幾率。網格劃分時，參數選擇必需合理，過粗時結果可能包含嚴重的錯誤，過密時會計算時間長，甚至不能運行。因此，可利用“網格控制”的方法針對上下機殼的特點或則設計需要，控制網格單元的大小，以提高網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，依次劃分網格→簡化或修改特征→再劃分網格→再簡化或修改特征→直至成功。在進行網格劃分時，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策。模型劃分網格結果如圖1所示，網格參數見表1。

3.約束與載荷

3.1 約束情況

根據離心壓縮機的實際工況，機殼是通過4個“錨爪”用螺栓連接在底座上，處于脫離地面的狀態，所以可簡化為“錨爪”底面的約束，即限制4個錨爪底部在X、Y、Z3個方向的移動自由度。

3.2 載荷情況

機殼中裝有轉子、隔板、預旋器、氣封、油封、軸承等。機殼自身的重量為9.5t，轉子的重量為1.1t，隔板的重量為2.3t，預旋器的重量為0.45t，氣封、油封、軸承的重量相對較輕可忽略。機殼自重作用在重心位置；轉子的重量以均布載荷的形式分別作用在兩個軸承座上，根據其重心與左、右軸承座的位置關系可計算得，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；隔板重量簡化為與機殼配合面上的均布載荷；預旋器重量簡化為與機殼配合面上的均布載荷。

4.靜態載荷結果分析

經上述簡化和處理，用Solidworks軟件中Simulation有限元插件進行計算，得到機殼在重力作用下的節點應力、節點位移以及單元應變分布結果，分別如圖2、圖3、圖4所示。

根據以上應力、應變、位移云圖可知，該機殼的最大應力、最大應變、最大位移及其作用位置，見表2。

生產使用經驗證明，機殼必須滿足以下3點要求：強度，要足夠承受氣體介質的壓力；剛度，要足以避免在長期使用中產生變形；密封性能，中分面及出風口法蘭結合面要可靠，以免輸送介質外泄。

如圖2所示，機殼整體應力水平較低，基本都處于2MPa以下，錨爪的局部應力處于2MPa～6MPa，錨爪與底座連接處尖角位置應力集中最大為9MPa，但作用面積很小，對機殼整體結構影響不大。結合圖4所示，最大應力、應變均集中在錨爪部位，符合實際情況。將分析所得的最大應力數值與機殼材料的屈服極限進行比較計算，得到機殼的最小安全系數為26.1。

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

結論

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

參考文獻

[1]劉土學，方先清.透平壓縮機的強度與振動[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]杜平安.有限元網格劃分的基本原則[J].機械設計與制造，2000（1）：34-36.

[3]劉國良. Solid Works 2006完全圖解學習手冊-圖解COSMOSWORKS[M].北京：電子工業出版社，2006.