本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)分析方法，尤其涉及增壓機(jī)的設(shè)計(jì)分析方法。

背景技術(shù)：

組裝式增壓機(jī)運(yùn)行工況較為復(fù)雜，其定子件不但要承擔(dān)氣動(dòng)流場作用，另一主要作用是承載包括壓力、轉(zhuǎn)定子的自重、進(jìn)出口管嘴載荷。其中增壓機(jī)所承載的較高壓力對于定子件的安全性提出了更高的要求。如何幫助設(shè)計(jì)采用更輕但更安全的方案成為力學(xué)分析人員的關(guān)注點(diǎn)。這就要求在保證產(chǎn)品安全性的同時(shí)提高分析精度并明確合理的評定手段。

就目前來看，行業(yè)內(nèi)尚無成型的組裝式增壓機(jī)定子件的力學(xué)分析方法或規(guī)范類文件。且當(dāng)壓力隨著設(shè)計(jì)運(yùn)行條件的高要求而不斷增大時(shí)，組裝式增壓機(jī)定子件的安全性成為了新興的力學(xué)關(guān)注焦點(diǎn)。

組裝式增壓機(jī)定子件整機(jī)的力學(xué)分析過程中，常規(guī)產(chǎn)品的組裝式增壓機(jī)箱體的強(qiáng)度和變形均處于較低的量級，但隨著設(shè)計(jì)需求的提升，功能性要求的加強(qiáng)，導(dǎo)致運(yùn)行工況愈加惡劣，而定子的變形問題逐漸成為關(guān)注點(diǎn)，其變形會導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子的間隙變小同時(shí)由于改變轉(zhuǎn)子的水平度而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

從組裝式增壓機(jī)定子件的力學(xué)分析過程來看主要的技術(shù)難點(diǎn)在于。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，組裝式增壓機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)模型細(xì)節(jié)處理精度影響分析精度。

2、此類產(chǎn)品運(yùn)行條件的復(fù)雜性，過于保守的評定限定不再適用現(xiàn)行產(chǎn)品；

3、整機(jī)的分析過程中，變形分析成為新的關(guān)注焦點(diǎn)，運(yùn)行于安全的變形范圍才能保證轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，本發(fā)明提出一種增壓機(jī)定子件的分析方法。

本發(fā)明所述的增壓機(jī)定子件分析方法，包括：

建立增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型；

對定子件進(jìn)行包括應(yīng)力強(qiáng)度分析，和/或熱疲勞分析的安全性評定；

對定子件進(jìn)行變形分析；

進(jìn)一步地，所述對定子件進(jìn)行包括應(yīng)力強(qiáng)度分析，和/或熱疲勞分析的安全性評定進(jìn)一步包括：

比較定子件的應(yīng)力強(qiáng)度與屈服極限；

若應(yīng)力強(qiáng)度大于屈服極限，則查看應(yīng)力強(qiáng)度最大值位置區(qū)域；

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在區(qū)域，分別比較膜應(yīng)力與許用應(yīng)力、膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力與許用應(yīng)力；

若膜應(yīng)力大于許用應(yīng)力，或膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力大于許用應(yīng)力，則進(jìn)行疲勞分析。

進(jìn)一步地，所述根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在區(qū)域，分別比較膜應(yīng)力與許用應(yīng)力、膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力與許用應(yīng)力包括：

若應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在區(qū)域位于定子件壓力內(nèi)邊界，則分別比較應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在位置的膜應(yīng)力與許用應(yīng)力、膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力與許用應(yīng)力；

若應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在區(qū)域不再壓力內(nèi)邊界，且所述應(yīng)力強(qiáng)度最大值位于定子件壓力外邊界，則分別比較應(yīng)力強(qiáng)度最大值所在位置的膜應(yīng)力與許用應(yīng)力、膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力與許用應(yīng)力。

進(jìn)一步地，所述對定子件進(jìn)行熱疲勞分析包括：

結(jié)合熱載荷耦合，整合asme標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)s-n疲勞曲線，當(dāng)使用系數(shù)u＜1時(shí)，則定子件符合疲勞測試評定。

進(jìn)一步地，所述建立增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型包括；

建立增壓機(jī)定子件的三維裝配體幾何模型；

基于所述三維裝配體幾何模型，建立增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型。

進(jìn)一步地，所述建立增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型還包括：

對增壓機(jī)定子件的三維裝配體幾何模型進(jìn)行包括去除多余邊角的簡化處理。

進(jìn)一步地，所述對定子件進(jìn)行變形分析包括：

判斷蝸殼軸與對應(yīng)的齒輪箱安裝軸的傾角是否小于許用傾角。

進(jìn)一步地，所述對定子件進(jìn)行變形分析還包括：

判斷蝸殼固定法蘭盤與對應(yīng)的齒輪箱安裝盤的傾角是否小于許用傾角。

本發(fā)明所述增壓機(jī)定子件的分析方法，通過對定子件進(jìn)行有限元建模，應(yīng)力強(qiáng)度分析，熱疲勞分析，及變形分析，在壓力承載能力越來越高、運(yùn)行條件越來越復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求下，對定子件的設(shè)計(jì)合理性做出綜合、準(zhǔn)確的評價(jià)。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，如圖其中：

圖1為本發(fā)明所述方法中建立的一個(gè)蝸殼定三維幾何模型俯視圖；

圖2為本發(fā)明所述方法中一個(gè)蝸殼三維模型剖切立體圖；

圖3為本發(fā)明所述方法步驟(二)流程圖；

圖4為本發(fā)明所述方法增壓機(jī)定子件第一視角立體圖；

圖5為本發(fā)明所述方法增壓機(jī)定子件第二視角立體圖；

圖6為本發(fā)明所述方法實(shí)施例六級蝸殼應(yīng)力線性化路徑的選取示意圖；

圖7為本發(fā)明所述方法實(shí)施例定子件裝配狀態(tài)局部剖切示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明所述增壓機(jī)定子件的分析方法的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。

本實(shí)施例所述的增壓機(jī)定子件的分析方法包括如下步驟：

(一)、建立增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型；

具體的，包括s11、建立增壓機(jī)定子件的三維裝配體幾何模型；

如圖1所示，根據(jù)組裝式增壓機(jī)的二維裝配圖，通過三維軟件進(jìn)行零部件的建模，再通過三維軟件的裝配功能，進(jìn)行組裝式增壓機(jī)裝置整體的裝配搭建。

優(yōu)選地，還包括s12、對增壓機(jī)定子件的三維裝配體幾何模型進(jìn)行簡化；

在組裝式增壓機(jī)的力學(xué)分析中，難點(diǎn)是解決模型的精度問題，因?yàn)槲仛ぴ诮＿^程中涉及到多次放樣和多次的布爾操作，而蝸舌下方的倒角處更加的難以掌控，此處往往也是力學(xué)分析中應(yīng)力集中的主要部位。根據(jù)以往的分析經(jīng)驗(yàn)以及對現(xiàn)場實(shí)物的觀察發(fā)現(xiàn)，蝸殼在生產(chǎn)加工中，人為的會進(jìn)行磨邊角處理，讓結(jié)構(gòu)過度平滑，但是實(shí)際建模中卻不容易實(shí)現(xiàn)。特別是蝸舌處模具的截面幾何尺寸往往給的不全面，為了解決上述問題，本實(shí)施例采用如下方法：將最小截面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切除，并利用軟件中的倒角功能進(jìn)行模型處理可以切除多余結(jié)構(gòu)，如圖2所示，圖中附圖標(biāo)記10就是切除多余結(jié)構(gòu)的位置，模型經(jīng)上述處理就可獲得較為近似的可用模型；模型精確的建立將用于有限元分析，獲得的相關(guān)結(jié)果用于以下提到的相關(guān)評定方法進(jìn)行力學(xué)安全性評定。

s13、基于所述三維裝配體幾何模型，建立包含增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型；

具體的，利用有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格的剖分和相關(guān)接觸的設(shè)置，網(wǎng)格的剖分(劃分)為有限元軟件針對導(dǎo)入三維模型進(jìn)行網(wǎng)格尺寸以及劃分方法的設(shè)置，軟件根據(jù)設(shè)定進(jìn)行三維有限元模型的自動(dòng)生成。此步搭建的三維有限元模型是為之后應(yīng)力強(qiáng)度分析以及熱疲勞分析所使用。

(二)、對定子件進(jìn)行包括應(yīng)力強(qiáng)度分析，和/或熱疲勞分析的安全性評定；具體的：

先進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析設(shè)置：在軟件中，對增壓機(jī)定子件三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，邊界條件包括力、位移等在模型應(yīng)力分析中對結(jié)構(gòu)應(yīng)力能夠產(chǎn)生影響的條件因素，然后應(yīng)用軟件的求解功能去進(jìn)行有限元求解。

有限元軟件在計(jì)算完，直接通過軟件功能，查看和提取定子件結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度值；

如圖2所示，對定子件進(jìn)行包括應(yīng)力強(qiáng)度分析，和/或熱疲勞分析的安全性評定具體包括如下步驟：

s21：

首先判斷計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果是否為小于結(jié)構(gòu)材料的屈服極限，小于則認(rèn)為計(jì)算到此結(jié)束，符合要求，否則進(jìn)入第二步；

s22：

若應(yīng)力強(qiáng)度大于屈服極限，則查看最大值位置區(qū)域，如果為壓力內(nèi)邊界，需要對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度線性化處理(可由軟件自帶功能完成)，若計(jì)算的膜應(yīng)力和膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力值均小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，則計(jì)算到此結(jié)束；

如果最大值位于外邊界的結(jié)構(gòu)承載部位，且小于屈服極限，則計(jì)算到此結(jié)束，大于屈服極限轉(zhuǎn)至應(yīng)力線性化處理，若計(jì)算的膜應(yīng)力和膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力值均小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，則認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求，否則進(jìn)入下一步；

s23：

整合熱應(yīng)力來進(jìn)行疲勞分析，如果疲勞累計(jì)系數(shù)通過，則認(rèn)為結(jié)果仍然可接受。疲勞累計(jì)系數(shù)大于1則認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，轉(zhuǎn)至優(yōu)化設(shè)計(jì)操作；

下述通過舉例說明：

例如，如圖4、5所示，本實(shí)施例所述的增壓機(jī)定子件包括齒輪箱7和分別安裝在齒輪箱7上的一級蝸殼1、二級蝸殼2、三級蝸殼3、四級蝸殼4、五級蝸殼5及六級蝸殼6，根據(jù)(一)步驟所述方法建立齒輪箱7及各級蝸殼三維模型，并裝配形成增壓機(jī)定子件整體模型，并根據(jù)整體模型，建立三維有限元模型。根據(jù)(二)步驟對三維有限元模型進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度分析的條件設(shè)置，并經(jīng)分析比對進(jìn)入到s22步驟，應(yīng)力強(qiáng)度大于屈服極限，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度線性化處理，根據(jù)asme規(guī)范□中第二冊第4篇4.1.6中設(shè)計(jì)條件下許用應(yīng)力評定細(xì)則規(guī)定進(jìn)行分析，評定結(jié)果如表1所示：

表1蝸殼應(yīng)力線性化疊加整合后結(jié)果

許用值的選取是考慮較大余量的疲勞效應(yīng)，由于六級蝸殼6應(yīng)力強(qiáng)度經(jīng)線性化后超出許用值，所以需要根據(jù)實(shí)際的計(jì)算應(yīng)力來進(jìn)行疲勞分析與評定。首先需要根據(jù)溫度場求解獲得溫度應(yīng)力，與設(shè)計(jì)工況下的一次應(yīng)力進(jìn)行組合，然后進(jìn)行疲勞分析，具體包括如下步驟：

s231、進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析；

基于瞬態(tài)溫度場，對應(yīng)力強(qiáng)度超出許用應(yīng)力的六級蝸殼6進(jìn)行熱載荷耦合分析，優(yōu)選地，將瞬態(tài)溫度場作為影響因子導(dǎo)入六級蝸殼6的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，對獲得某一時(shí)間點(diǎn)上的六級蝸殼6各位置結(jié)構(gòu)在溫度影響下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析；如圖6所示，根據(jù)熱結(jié)構(gòu)耦合，對六級蝸殼6蝸舌下方61、蝸殼支撐處62、蝸殼支撐處63、蝸殼殼身64、蝸殼殼身65這幾處典型應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，并與之前計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行整合，如表2所示：

表2六級蝸殼分析結(jié)果整合

s232、對定子件進(jìn)行熱機(jī)疲勞分析；

優(yōu)選地，結(jié)合熱載荷耦合，整合asme標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)s-n疲勞曲線，當(dāng)使用系數(shù)u＜1時(shí)，則所述增壓機(jī)定子件符合疲勞測試評定。

具體為：

根據(jù)asme及rccm的規(guī)定，金屬溫度差變化循環(huán)次數(shù)小于1000，則疲勞分析是非強(qiáng)制性的。根據(jù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)，在組裝式增壓機(jī)的全壽命中，循環(huán)次數(shù)大于規(guī)定值，達(dá)到1200次以上，所以必須作疲勞分析。在組裝式增壓機(jī)六級蝸殼6中上述幾個(gè)部位出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)域，取高應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行疲勞分析。按照下述方式開展疲勞性能評定：

1)sij＝σi-σj，其中i＝1,2,3,j＝1,2,3,i≠j

其中σi(σj)代表有限元單元的第1、2、3主應(yīng)力。

2)

3)其中ec是疲勞曲線彈性模量，e是計(jì)算用彈性模量

其中系數(shù)ke值按照下述方式確定：

a)sn≤3sm時(shí)，ke＝1.0；

b)3sm<sn<3msm時(shí)，

c)3msm<sn時(shí)，

其中sn為一、二次應(yīng)力之和的變化幅度；對于碳鋼，m＝3.0,n＝0.2。

疲勞曲線采用表3所列數(shù)據(jù)。由于疲勞曲線是彈模為1.95×105mpa，而計(jì)算中采用的彈性模量為2×105mpa，則應(yīng)力放大比例：

之后令sa＝s'alt作縱坐標(biāo)，把s'alt引入疲勞曲線，得到瞬態(tài)數(shù)ni，則出現(xiàn)一次瞬態(tài)的使用系數(shù)為：

出現(xiàn)ni次的使用系數(shù)：ui＝ni[ui]

則n種事件的使用系數(shù)為：

表3材料疲勞特性數(shù)據(jù)

六級蝸殼全壽命過程中，循環(huán)使用頻率為600次/20年，啟停機(jī)壓力循環(huán)次數(shù)乘2，則n＝1200次。取承壓部件應(yīng)力集中的上述五個(gè)部位，進(jìn)行疲勞累計(jì)使用系數(shù)計(jì)算。根據(jù)表3所示的asme材料疲勞特性數(shù)據(jù)，對各位置的疲勞評定如表4：

表4六級蝸殼的疲勞評定

材料積累使用系數(shù)小于1，說明六級蝸殼6有足夠的疲勞性能儲備，即六級蝸殼6的疲勞評定通過。

(三)、對定子件進(jìn)行變形分析；

本實(shí)施例所述的組裝式增壓機(jī)定子件的變形分析是基于機(jī)組安全性和可運(yùn)行性所做的綜合性分析，如圖7所示，一方面是基于軸承的傾斜變形限制來考慮的(圖中示出了六級蝸殼6的軸承傾角計(jì)算環(huán)面66)；另一方面是基于蝸殼固定法蘭盤的傾斜變形限制來考慮的(圖中示出了六級蝸殼6的蝸殼固定法蘭傾角計(jì)算環(huán)面67)。

設(shè)定各級蝸殼安裝于齒輪箱7后，在載荷最大時(shí)，其橫向擺動(dòng)量為△x，縱向擺動(dòng)量為△y，則其相對傾角，由公式tanθx(tanθy)＝△x(△y)/傾角參考尺寸，其中，θx是傾角θ在橫向上的分量，θy是傾角θ在縱向上的分量；傾角參考尺寸根據(jù)建立定子件三維模型時(shí)的參考尺寸獲得。

計(jì)算獲得的各級蝸殼軸所對應(yīng)的齒輪箱軸傾斜角度、蝸殼固定法蘭盤與對應(yīng)的齒輪箱安裝盤傾斜角度如表5所示：

表5組裝式增壓機(jī)定子變形結(jié)果

由上表可知，各級蝸殼的軸承相對傾角和法蘭面相對傾角均小于許用值，即符合變形評定標(biāo)準(zhǔn)，若各傾角大于許用值，則不符合要求，轉(zhuǎn)至優(yōu)化設(shè)計(jì)改良結(jié)構(gòu)。

如上所述，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，顯然，只要實(shí)質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果、對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的變形，也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。