Siemens PLM Sortware征文：CAE技术在压缩机设计中的应用

1前言

本项目采用有限元法进行模拟分析及研究，解决以前只能凭经验来设计，靠保守水压试验来验证设计制造是否合理，以及安全可靠性等问题。

为了水压试验和强度应变片测试试验，计算需求如下：压缩机采用螺栓为M90螺栓，法兰材料16Mn钢材，对压缩机作有限元模拟分析，通过分析判定压缩机作水压试验时可承受的极限内部水压力。

2项目计算结果及分析

用有限元法进行结果分析的思想是：将一个连续的弹性体进行离散化，分割成彼此用节点连接的有限个单元，然后对单元进行分析，用节点位移来表示结构的变形，再建立整个结构总位能关于结构位移的表达式。根据变分原理，可以得到一个以节点位移为未知数的大型线性方程组，然后用人们所熟知的消元法或迭代法，即可求出各节点处的位移近似值。进一步可求出各节点的应力、速度、加速度值。这种先分后和，以有限个数的单元代替连续的弹性体的方法就是有限元法的基本思想。

2.1内压力极限计算背景及基本原理

传统水压试验存在一定的问题，因为压缩机的造价等原因，为了保证作完试验的压缩机仍然能够正常安装和运行，通常在作水压试验时都非常保守，在螺栓预紧和内部充压过程中都存在很大的预付量。

实际水压试验时，首先对拧紧螺栓时，螺栓本身承受一定的预紧拉力，在这个拉力作用下，上下机壳的法兰表面在受到接触压力作用下的产生变形；然后机壳内部施加水压力时，螺栓承受的拉力增大，接触面的压力开始减小，法兰接触面变形也开始释放，直到螺栓靠近机壳中间一边的压应力等于零时，这时候密封失效，此时的内部水压力就是我们需要的内压力极限。有限元方法计算压缩机极限可以在电脑上模拟水压试验的过程。比较理想的做法是完全模拟水压试验，利用上下机壳装配分析，正确模拟螺栓及螺栓预紧力，以及内部全部表面的水压力。然而有限元理论及软件存在一定的局限性，我们没有办法在定义材料的时候就定义材料本身的预应力，正确模拟螺栓承受的预紧力和法兰面的预变形存在一定的困难。

    整体分析没法模拟螺栓本身的预应力和法兰的预变形，于是根据材料力学的基本理论，采用对上机壳单独分析的方法来计算内部水压力，首先计算螺栓预紧时接触面的Y方向的压应力，然后计算内部施加水压力时，计算接触面的Y方向拉应力，随着内部施加水压力的增大，拉应力开始增大，但是这个增大有一定的范围，就是拉应力最大不能超过压应力，否则这里将产生缝隙，表面密封将失效。计算时，首先分两种工况分别计算拉应力和压应力，然后在后处理中作结果组合，考虑到有限元存在单元划分引起应力集中的问题，在分析时，我在接触面上作了两条判定线（如图1所示），以靠近螺栓孔的判定线上的单元Y方向应力作为判定标准。

图1 上机壳接触面单元应力判定线

2.2内压力极限计算及分析

2.2.1内压力极限计算有限元模型图

压缩机机壳水压试验的内压力极限计算过程分为两步，即先分别计算螺栓预紧和单独施加内压两种工况时判定线Y方向的应力，再将两种工况结果进行线性组合分析。两种工况下的有限元模型图见图2、图3。

图2 预紧工况模型图

图3 内部施加水压力模型图