CN112270050B - 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法 - Google Patents

一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112270050B
CN112270050B CN202011135973.8A CN202011135973A CN112270050B CN 112270050 B CN112270050 B CN 112270050B CN 202011135973 A CN202011135973 A CN 202011135973A CN 112270050 B CN112270050 B CN 112270050B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor system
reciprocating compressor
qbx
mass
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011135973.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112270050A (zh
Inventor
许增金
王世杰
赵东升
孟文惠
张士永
连东辉
李福宝
齐荣琴
袁本中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang University of Technology
Original Assignee
Shenyang University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang University of Technology filed Critical Shenyang University of Technology
Priority to CN202011135973.8A priority Critical patent/CN112270050B/zh
Publication of CN112270050A publication Critical patent/CN112270050A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112270050B publication Critical patent/CN112270050B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，对往复式压缩机运动零件进行质量等效计算，为往复式压缩机转子系统扭转振动系统的模型转化提供数据；进行质量等效计算的往复式压缩机运动零件包括连杆、十字头和活塞；按照结构转动惯量相等原则，对转子系统的联轴器结构、飞轮和电机转子结构进行等效处理，完成包含曲轴、等效联轴器、等效飞轮、电机轴和等效电机转子的往复式压缩机转子系统的几何模型构建。利用通用ANSYS有限元计算软件替代原有专用分析软件，该方法不仅提高了往复式压缩机转子系统扭转共振的计算精度和工作效率，而且还不受往复式压缩机系列产品专有技术归属的限制，能够在行业内得到广泛应用。

Description

一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法
技术领域
本发明涉及往复式压缩机转子动力学计算领域，具体为一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法。
背景技术
往复式压缩机转子系统扭转振动的计算技术，是制约往复式压缩机向多列或高转速发展的技术瓶颈。大量研究表明，往复式压缩机转子系统列数越多，系统扭转固有频率越低，机组越容易发生共振；往复式压缩机的转速越高，引起系统共振的扭转载荷越大，机组同样越容易发生共振。
往复式压缩机转子系统扭转振动的计算通常采用传统的专用分析软件，这些核心技术通常采用引进渠道获得，并且与其他技术捆绑使用。传统专用分析软件存在诸多的局限性，除了普及应用性比较差以外，传统计算方法的模型简化量高、计算偏差比较大，且只能进行无轴承约束的转子临界转速和简谐载荷作用下的动力学计算。随着大型通用有限元分析软件的广泛应用，本发明目的在于提供一种基于ANSYS有限元计算软件的往复式压缩机转子系统扭转振动的计算方法，解决制约往复式压缩机向多列、高转速发展的技术瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，不仅能够实现轴承约束下转子临界转速的计算，而且还能够用转子系统承受各列综合活塞力和电机转矩的瞬态动力学响应的计算方法替代转子系统承受简谐扭转力矩的简谐动力学响应的计算方法，以提高往复式压缩机转子系统扭转共振的计算精度和功能范围。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，该方法的步骤如下：
(一)对往复式压缩机运动零件进行质量等效计算，为往复式压缩机转子系统扭转振动系统的模型转化提供数据；进行质量等效计算的往复式压缩机运动零件包括连杆、十字头和活塞；
(二)按照结构转动惯量相等原则，对转子系统的联轴器结构、飞轮和电机转子结构进行等效处理，完成包含曲轴、等效联轴器、等效飞轮、电机轴和等效电机转子的往复式压缩机转子系统的几何模型构建；
(三)把往复式压缩机转子系统的几何模型分成若干个独立的体，不同体之间粘结成一个组合体；定义转子系统各独立体的材料属性，连杆、十字头、活塞的等效质量用定义曲柄销不同密度的方式作用于对应列的曲柄销上；将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题的求解；
(四)建立等效后转子系统有限元计算模型，施加转子系统轴承约束处节点的径向位移，实现计算模型边界条件的定义，建立往复式压缩机转子系统模态分析模型；
(五)求解往复式压缩机转子系统固有频率及模态振型，获得具有动力学模态特性的转子系统计算模型；
(六)在往复式压缩机转子系统各列曲柄销处的节点上，施加交变综合活塞力，在驱动电机转子的节点上，施加恒定的扭转力矩，创建模态叠加法求解转子系统瞬态响应扭转振动的多载荷步模型；
(七)求解往复式压缩机转子系统各节点的位移与应力，获得各节点位移、应力的时间历程曲线，获得转子系统各时刻的位移和应力分布云图。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的是一种往复式压缩机转子系统扭转振动的计算方法。针对往复式压缩机转子系统扭转共振问题，利用通用ANSYS有限元计算软件替代原有专用分析软件，该方法不仅提高了往复式压缩机转子系统扭转共振的计算精度和功能范围，而且还不受往复式压缩机系列产品专有技术归属的限制，能够在行业内得到广泛应用。该计算方法便于参数化设计方案的实施，能够使转子系统扭转振计算结果的一致性得到大幅度的提高，便于该计算方法在使用过程中的技术沉淀及升级改进。
附图说明
图1A为6列往复式压缩机转子系统多体动力学的计算模型示意图。
图1B为6列往复式压缩机转子系统一般机械结构动力学计算模型示意图。
图1C为6列往复式压缩机转子系统等效几何模型。
图1D为6列往复式压缩机转子系统等效几何模型的独立几何体。
图1E为6列往复式压缩机转子系统等效几何模型的独立几何体。
图2A为曲轴(1)自由端轴承约束轴段的有限元网格模型。
图2B为曲轴(1)自由端轴承约束位置面元素。
图2C为曲轴(1)自由端轴承约束位置面元素关联的节点。
图2D为曲轴(1)自由端轴承约束位置各节点的径向位移约束。
图3A为曲轴(1)第一列、第二列曲柄销相对总体卡迪尔坐标系X-Y坐标的位置。
图3B为曲轴(1)第一列、第二列曲柄销处节点在某一时刻施加的载荷(包括切向力和径向力)。
图3C为曲轴(1)第一列、第二列曲柄销处节点在活塞处于外止点时刻施加的载荷(切向力为0)。
图3D为曲轴(1)第一列、第二列曲柄销处节点在连杆与曲柄销相切时刻施加的载荷(法向力为0)。
图4A为曲轴(1)的六列曲柄销与总体笛卡尔坐标系X-Y坐标的位置。
图4B为曲轴(1)第三四列曲柄销与总体笛卡尔坐标系X-Y坐标的位置。
图4C为曲轴(1)第五六列曲柄销与总体笛卡尔坐标系X-Y坐标的位置。
图4D为曲轴(1)的六列曲柄销与局部11坐标系X-Y坐标的位置。
图4E为曲轴(1)第三列、第四列曲柄销相对局部11坐标系X-Y坐标的位置。
图4F为曲轴(1)第三列、第四列曲柄销处节点在某一时刻施加的载荷(包括切向力和径向力)。
图5A为等效电机转子的有限元网格模型及施加电机转子扭矩位置。
图5B为施加电机转子扭矩的面元素。
图5C为曲轴(1)自由端轴承约束位置面元素关联的节点。
图5D为曲轴(1)自由端轴承约束位置各节点的径向位移约束。
图6为本发明往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法的流程框图。
1、曲轴；2、连杆；3、十字头；4、活塞；5、联轴器；6、电机轴；7、电机转子；8、飞轮；9、曲柄销；10、轴承约束。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，该方法的步骤如下：
(一)对往复式压缩机运动零件进行质量等效计算，为往复式压缩机转子系统扭转振动系统的模型转化提供数据；进行质量等效计算的往复式压缩机运动零件包括连杆、十字头和活塞；
(二)按照结构转动惯量相等原则，对转子系统的联轴器结构、飞轮和电机转子结构进行等效处理，完成包含曲轴、等效联轴器、等效飞轮、电机轴和等效电机转子的往复式压缩机转子系统的几何模型构建；
(三)把往复式压缩机转子系统的几何模型分成若干个独立的体，不同体之间粘结成一个组合体；定义转子系统各独立体的材料属性，连杆、十字头、活塞的等效质量用定义曲柄销不同密度的方式作用于对应列的曲柄销上；将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题的求解；
(四)建立等效后转子系统有限元计算模型，施加转子系统轴承约束处节点的径向位移，实现计算模型边界条件的定义，建立往复式压缩机转子系统模态分析模型；
(五)求解往复式压缩机转子系统固有频率及模态振型，获得具有动力学模态特性的转子系统计算模型；
(六)在往复式压缩机转子系统各列曲柄销处的节点上，施加交变综合活塞力，在驱动电机转子的节点上，施加恒定的扭转力矩，创建模态叠加法求解转子系统瞬态响应扭转振动的多载荷步模型；
(七)求解往复式压缩机转子系统各节点的位移与应力，获得各节点位移、应力的时间历程曲线，获得转子系统各时刻的位移和应力分布云图。
在步骤(一)中，根据连杆质量重心的分布，确定连杆的旋转质量和连杆的往复质量，将每列连杆的旋转质量、连杆的往复质量、十字头的质量、活塞的质量等按照公式(1)计算得到等效质量；
mdx＝(mLw+mszt+mhs)/2+mLz (1)
式中，mdx为等效质量，
mLw为连杆的往复质量，
mszt为十字头的质量，
mhs为活塞的质量，
mLz为连杆的旋转质量。
在步骤(二)建立往复式压缩机转子系统的几何模型，将联轴器、飞轮和电机转子按照具有相同转动惯量的原则进行几何模型的等效；曲轴、电机轴结构按照实际尺寸进行建模。
在步骤(三)把往复式压缩机转子系统的几何模型分成若干个独立的体，不同体之间粘结成一个组合体；为每个独立的体设定不同的材料属性和网格大小，把等效质量与曲柄销质量的总质量，按照公式(2)计算得到曲柄销材质的设定密度，最终将连杆、十字头、活塞等结构的等效质量作用于对应列的曲柄销上，将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题的求解；
ρ＝ρz(mdx+mqbx)/mqbx (2)
式中，ρ为曲柄销材质的设定密度，
ρz为曲柄销材质的实际密度，
mqbx为曲柄销的实际质量，
mdx为连杆、十字头、活塞等结构的等效质量。
在步骤(四)完成转子系统有限元计算模型的网格划分后，计算模型可看做由上万或几十万个节点按照一定的规则组合而成，针对往复式压缩机转子系统计算模型的边界条件，对转子系统轴承约束处节点施加径向零位移约束，即
UX1＝0
UX2＝0
………
UXi＝0
………
UXn zc sum＝0
式中，UX为满足右手系的柱坐标系条件下X方向的位移，
i为UX的下角标，表示轴承约束处第i个节点，
nzc sum为轴承约束处所有节点的个数。
在步骤(六)创建利用模态叠加法求解转子系统位移与应力的载荷步模型文件的过程中，采用多载荷步的加载方式定义转子系统承受的交变载荷，每个载荷步包含三方面的变量，即包含时间、曲柄销上的作用力、驱动电机的扭转力矩；
fqbxX0＝FX0/nqbx sum，fqbxY0＝FY0/nqbx sum，fdjX0＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝0
fqbxX1＝FX1/nqbx sum，fqbxY1＝FY1/nqbx sum，fdjX1＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝Δt
fqbxX2＝FX2/nqbx sum，fqbxY2＝FY2/nqbx sum，fdjX2＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝2Δt
………
fqbxXi＝FXi/nqbx sum，fqbxYi＝FYi/nqbx sum，fdjXi＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝iΔt
Δt＝60/(n·nfd sum)
式中，nqbx sum为曲柄销上受力的节点数，
FXi为第i载荷步综合活塞力在曲轴切向的分量，
FYi为第i载荷步综合活塞力在曲轴法向的分量，
fqbxXi为第i载荷步曲柄销上节点在曲轴切向的作用力，
fqbxYi为第i载荷步曲柄销上节点在曲轴法向的作用力，
ndj sum为电机转子上受力的节点数，
Mdj为电机转子的驱动扭矩，
Rdj为电机转子节点位置的旋转半径，
fdjXi为第i载荷步电机转子节点在电机转子切向的作用力，
Δt为相邻两个载荷步的时间步长，单位s，
n为曲轴转速，单位rpm，
nfd sum为曲轴旋转一圈累计的载荷步数。
具体的实施例如下：
下面结合附图对本发明作进一步详述。
1、本发明涉及一种往复式压缩机转子系统扭转振动的计算方法，主要包括等效联轴器、飞轮、电机转子几何模型，等效连杆、十字头、活塞的惯性质量，建立往复式压缩机转子系统几何模型，建立往复式压缩机一般机械结构动力学转子系统等效模型；划分往复式压缩机转子系统有限元网格，施加轴承径向位移约束，建立往复式压缩机转子系统模态分析模型；模态分析求解，结合曲轴转速获得转子系统的共振状态(状态A或状态B或状态…)、同时获得具有动力学特性的转子系统计算模型；在具有动力学特性的转子系统计算模型上施加综合活塞力及电机扭矩，建立往复式压缩机转子系统扭转振动多载荷步分析模型；动态响应分析求解，获得与转子系统共振状态(状态A或状态B或状态…)相对应的扭转振动计算结果，主要包括各节点位移、应力的时间历程曲线，获得转子系统各时刻的位移和应力分布云图。
2、本发明提出的是一种计算方法，适合不同结构往复式压缩机转子系统扭转振动计算，现以某6列往复式压缩机为例阐述转子系统扭转振动的计算步骤。如图1A所示，往复式压缩机转子系统通常包含曲轴(1)、连杆(2)、十字头(3)、活塞(4)、联轴器(5)、电机轴(6)、电机转子(7)和飞轮(8)几个部分，从转子系统的结构形式上来看，由于连杆、十字头、活塞的存在，该转子系统扭转振动计算问题属于多体动力学，受当前技术水平所限，目前还没有一种成熟的通用计算软件能够求解多体动力学的共振问题，本专利提出的方法，把转子系统中具有多自由度的连杆、十字头、活塞的质量进行等效，通过把三者的等效质量mdx作用于对应列的曲柄销(9)上，将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题进行求解，等效后的一般机械结构转子系统扭转振动计算模型如图1B所示；
3、在往复式压缩机转子系统中，联轴器、飞轮和电机转子对转子系统的影响主要来自其转动惯量，依据结构转动惯量相等原则对转子系统的联轴器、飞轮、电机转子结构进行等效简化，为此往复式压缩机转子系统的几何模型如图1C所示，主要由曲轴(1)、等效联轴器(5)、电机轴(6)、等效电机转子(7)和等效飞轮(8)组成；
4、在上述往复式压缩机的转子系统中，为了能够对不同几何体设定独自的材料参数，便于控制不同结构有限元网格的大小，把图1C结构的转子系统的几何体分割成图1D和图1E所示的轴段1-1、第一列曲柄销1-2、轴段1-3、第二列曲柄销1-4、轴段1-5、轴段1-6、轴段1-7、第三列曲柄销1-8、轴段1-9、第四列曲柄销1-10、轴段1-11、轴段1-12、轴段1-13、第五列曲柄销1-14、轴段1-15、第六列曲柄销1-16、轴段1-17、轴段1-18、等效联轴器1-19、电机轴1-20、等效电机转子1-21的独立几何体，为了确保转子系统是一个整体，利用ANSYS有限元计算软件提供的粘结功能，将这些独立的几何体组成一个整体，不影响对转子系统的动力学求解。在进行网格有限元网格划分时，分别对每个独立的几何体定义材料属性和划分网格大小；
5、如图2A-2C显示了定义轴承约束(10)的基本方法。a处为轴承约束位置(如图2A和2B所示)。转子系统有限元网格划分后，各节点默认为总体卡迪尔坐标系，该坐标系下不易实现曲轴主轴承外表面关联节点施加径向零位移约束。为此，利用ANSYS软件的UtilityMenu菜单选择曲轴主轴承外表面关联的所有节点(如图2C所示)，并利用Main Menu主菜单把这些节点旋转到柱坐标系下，对所选这些节点施加X向零位移约束(如图2D所示)。按此方法依次其他各轴承处的位移约束，实现计算模型边界条件的定义。
6、求解往复式压缩机转子系统固有频率及模态振型，获得具有动力学模态特性的转子系统计算模型，是往复式压缩机转子系统扭转振动计算重要的一项内容，具体步骤如下所述：完成上述有限元模型边界条件的定义后，按ANSYS计算软件的功能说明依次设定Modal(模态分析类型)、设定Block Lanczos计算方法、设定模态计算阶次，利用ANSYS计算软件的求解器完成往复式压缩机转子系统的模态分析计算；根据模态分析计算结果，结合曲轴转速n获得转子系统的共振状态(状态A或状态B或状态…)；
7、在具有动力学特性的转子系统计算模型上，按ANSYS计算软件的功能说明依次设定Transient(瞬态分析类型)、设定Mode Superpos’n(模态叠加法)的计算方法，然后按照如下①-③所述方法施加各载荷步转子系统受到的综合活塞力及电机扭矩，并利用ANSYS计算软件中定义多载荷步的基本方法，建立往复式压缩机转子系统扭转振动多载荷步分析模型文件(模型文件的格式为*.s01、*.s02、*.s03…)，施加转子系统承受的综合活塞力及电机扭矩的具体步骤如下所述：
①在第一列、第二列曲柄销上施加综合活塞力的基本方法如图3A-3D所示。图3A所示为曲轴(1)第一列、第二列曲柄销相对X-Y坐标系的位置，从图3A所示结构不难发现，无论在哪一列，曲柄销处的切向方向都是在X方向，曲柄销处的径向方向都是在Y方向，因此，这两列曲柄销在某一时刻、活塞处于外止点时刻(切向力为0)、连杆与曲柄销相切时刻(法向力为0)施加的载荷分别如图3B、图3C、图3D所示。
②在曲轴(1)第三四列曲柄销施加综合活塞力的基本方法如图4A-4F所示。图4A所示曲轴(1)第三四列曲柄销和第五六列曲柄销与总体笛卡尔坐标系X-Y坐标系的位置关系分别为图4B和图4C所示，从图4B和图4C可以明显发现，第三四列曲柄销和第五六列曲柄销跟X-Y坐标系的关系同图3A中第一二列曲柄销跟X-Y坐标系的关系完全不同，因此不能按照上述方法进行第三四列和五六列综合活塞力的加载。本申请采用定义局部坐标系的方法，使曲轴第三四列曲柄销和曲轴第五六列曲柄销分别与各自局部坐标X-Y坐标系的位置关系与图3A保持一致；假定曲轴第三四列曲柄销是在局部卡迪尔坐标系11建的几何模型，在显示局部坐标系11的情况下，曲轴各列曲柄销相对局部坐标系X-Y的位置关系如图4D-4E所示，从图4D-4E不难发现，此时曲轴第三四列曲柄销与局部坐标系X-Y的位置关系，完全与图3A中曲柄销与总体笛卡尔坐标系的关系保持一致；第三四列曲柄销施加综合活塞力时，首先激活局部坐标系11，然后利用ANSYS软件的Utility Menu菜单选择曲轴第三四列曲柄销外表面关联的所有节点，并利用Main Menu主菜单把这些节点旋转到局部坐标系11下，参照上述在第一列、第二列曲柄销上施加综合活塞力的基本方法即可完成第三四列曲柄销上综合活塞力的施加，图4F所示为三、四列曲柄销在某一时刻的加载情况，该形式完全与图3B的一致；其他各列(如第五六列)曲柄销上施加综合活塞力参照第三四列的方法建立另外的局部卡迪尔坐标系，使曲柄销相对该局部坐标系的位置关系与图3A中曲柄销与坐标系的关系保持一致，用同样的方法完成综合活塞力的施加。
③在等效电机转子(7)上施加恒定扭转力矩的基本方法如图5A-5D所示。在b处施加电机转子扭矩(如图5A和5B所示)。施加恒定扭转力矩方法与定义轴承约束(10)比较相近，转子系统完成有限元网格划分后，各节点默认为总体卡迪尔坐标系，该坐标系下不易实现在图5B所示面元素所关联节点(如图5C所示节点)上施加切向力fdjXi。为此，利用ANSYS软件的Utility Menu菜单选择图5B所示面元素关联的所有节点，并利用Main Menu主菜单把这些节点旋转到柱坐标系下，对所选这些节点施加Y向的力fdjXi(如图5D所示)，从而完成电机扭转力矩的加载。
8、完成上述多载荷步分析模型文件的创建后，利用ANSYS计算软件配置的求解器，完成转子系统多载荷步的瞬态响应计算求解，获得往复式压缩机转子系统各节点的多种计算结果，包括各节点的位移与应力；利用软件的POST26后处理功能，获得与转子系统共振状态(状态A或状态B或状态…)相对应的各节点位移、应力的时间历程曲线，利用软件的POST1后处理功能获得与转子系统共振状态(状态A或状态B或状态…)相对应的转子系统各时刻的位移和应力分布云图。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
(一)对往复式压缩机运动零件进行质量等效计算，为往复式压缩机转子系统扭转振动系统的模型转化提供数据；进行质量等效计算的往复式压缩机运动零件包括连杆、十字头和活塞；
(二)按照结构转动惯量相等原则，对转子系统的联轴器结构、飞轮和电机转子结构进行等效处理，完成包含曲轴、等效联轴器、等效飞轮、电机轴和等效电机转子的往复式压缩机转子系统的几何模型构建；
(三)把往复式压缩机转子系统的几何模型分成若干个独立的体，不同体之间粘结成一个组合体；定义转子系统各独立体的材料属性，连杆、十字头、活塞的等效质量用定义曲柄销不同密度的方式作用于对应列的曲柄销上；将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题的求解；
(四)建立等效后转子系统有限元计算模型，施加转子系统轴承约束处节点的径向位移，实现计算模型边界条件的定义，建立往复式压缩机转子系统模态分析模型；
(五)求解往复式压缩机转子系统固有频率及模态振型，获得具有动力学模态特性的转子系统计算模型；
(六)在往复式压缩机转子系统各列曲柄销处的节点上，施加交变综合活塞力，在驱动电机转子的节点上，施加恒定的扭转力矩，创建模态叠加法求解转子系统瞬态响应扭转振动的多载荷步模型；
(七)求解往复式压缩机转子系统各节点的位移与应力，获得各节点位移、应力的时间历程曲线，获得转子系统各时刻的位移和应力分布云图。
2.根据权利要求1所述的往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：在步骤(一)中，根据连杆质量重心的分布，确定连杆的旋转质量和连杆的往复质量，将每列连杆的旋转质量、连杆的往复质量、十字头的质量、活塞的质量等按照公式(1)计算得到等效质量；
mdx＝(mLw+mszt+mhs)/2+mLz (1)
式中，mdx为等效质量，
mLw为连杆的往复质量，
mszt为十字头的质量，
mhs为活塞的质量，
mLz为连杆的旋转质量。
3.根据权利要求1所述的往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：在步骤(二)建立往复式压缩机转子系统的几何模型，将联轴器、飞轮和电机转子按照具有相同转动惯量的原则进行几何模型的等效；曲轴、电机轴结构按照实际尺寸进行建模。
4.根据权利要求1所述的往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：在步骤(三)把往复式压缩机转子系统的几何模型分成若干个独立的体，不同体之间粘结成一个组合体；为每个独立的体设定不同的材料属性和网格大小，把等效质量与曲柄销质量的总质量，按照公式(2)计算得到曲柄销材质的设定密度，最终将连杆、十字头、活塞等结构的等效质量作用于对应列的曲柄销上，将转子系统多体动力学问题的求解转化成一般机械结构动力学问题的求解；
ρ＝ρz(mdx+mqbx)/mqbx (2)
式中，ρ为曲柄销材质的设定密度，
ρz为曲柄销材质的实际密度，
mqbx为曲柄销的实际质量，
mdx为连杆、十字头、活塞等结构的等效质量。
5.根据权利要求1所述的往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：在步骤(四)完成转子系统有限元计算模型的网格划分后，计算模型可看做由上万或几十万个节点按照一定的规则组合而成，针对往复式压缩机转子系统计算模型的边界条件，对转子系统轴承约束处节点施加径向零位移约束，即
UX1＝0
UX2＝0
………
UXi＝0
………
式中，UX为满足右手系的柱坐标系条件下X方向的位移，
i为UX的下角标，表示轴承约束处第i个节点，
nzc sum为轴承约束处所有节点的个数。
6.根据权利要求1所述的往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法，其特征在于：在步骤(六)创建利用模态叠加法求解转子系统位移与应力的载荷步模型文件的过程中，采用多载荷步的加载方式定义转子系统承受的交变载荷，每个载荷步包含三方面的变量，即包含时间、曲柄销上的作用力、驱动电机的扭转力矩；
fqbxX0＝FX0/nqbx sum，fqbxY0＝FY0/nqbx sum，fdjX0＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝0
fqbxX1＝FX1/nqbx sum，fqbxY1＝FY1/nqbx sum，fdjX1＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝Δt
fqbxX2＝FX2/nqbx sum，fqbxY2＝FY2/nqbx sum，fdjX2＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝2Δt
………
fqbxXi＝FXi/nqbx sum，fqbxYi＝FYi/nqbx sum，fdjXi＝Mdj/(Rdjndj sum)，t＝iΔt
Δt＝60/(n·nfd sum)
式中，nqbx sum为曲柄销上受力的节点数，
FXi为第i载荷步综合活塞力在曲轴切向的分量，
FYi为第i载荷步综合活塞力在曲轴法向的分量，
fqbxXi为第i载荷步曲柄销上节点在曲轴切向的作用力，
fqbxYi为第i载荷步曲柄销上节点在曲轴法向的作用力，
ndj sum为电机转子上受力的节点数，
Mdj为电机转子的驱动扭矩，
Rdj为电机转子节点位置的旋转半径，
fdjXi为第i载荷步电机转子节点在电机转子切向的作用力，
Δt为相邻两个载荷步的时间步长，单位s，
n为曲轴转速，单位rpm，
nfd sum为曲轴旋转一圈累计的载荷步数。
CN202011135973.8A 2020-10-22 2020-10-22 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法 Active CN112270050B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011135973.8A CN112270050B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011135973.8A CN112270050B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112270050A CN112270050A (zh) 2021-01-26
CN112270050B true CN112270050B (zh) 2024-01-26

Family

ID=74341998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011135973.8A Active CN112270050B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112270050B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114406552B (zh) * 2022-03-04 2023-10-10 中国石油大学(华东) 一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法
CN114692449B (zh) * 2022-03-23 2023-09-22 西安交通大学 一种基于测试的压缩机扭转振动分析优化方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070065674A (ko) * 2005-12-20 2007-06-25 에스티엑스엔진 주식회사 진동제어를 위한 왕복동 내연기관의 크랭크 배열각 설계방법
CN103399993A (zh) * 2013-07-22 2013-11-20 合肥通用机械研究院 往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法
DE102017003146B3 (de) * 2017-03-30 2018-07-12 Viktor Hammermeister Ruck-Kurbeltrieb, sowie damit ausgestattetem Verbrennungsmotor.
CN108647460A (zh) * 2018-05-17 2018-10-12 沈阳工业大学 迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法
CN110031215A (zh) * 2019-04-29 2019-07-19 沈阳透平机械股份有限公司 变速行星齿轮机组的轴系扭转振动分析方法、装置及设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070065674A (ko) * 2005-12-20 2007-06-25 에스티엑스엔진 주식회사 진동제어를 위한 왕복동 내연기관의 크랭크 배열각 설계방법
CN103399993A (zh) * 2013-07-22 2013-11-20 合肥通用机械研究院 往复式压缩机曲轴可靠性优化设计方法
DE102017003146B3 (de) * 2017-03-30 2018-07-12 Viktor Hammermeister Ruck-Kurbeltrieb, sowie damit ausgestattetem Verbrennungsmotor.
CN108647460A (zh) * 2018-05-17 2018-10-12 沈阳工业大学 迷宫往复压缩机弹性联接曲轴的参数化设计方法
CN110031215A (zh) * 2019-04-29 2019-07-19 沈阳透平机械股份有限公司 变速行星齿轮机组的轴系扭转振动分析方法、装置及设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
大型活塞压缩机曲轴扭振分析(二)――瞬态应力分析;詹科;余宾宴;余小玲;冯全科;;压缩机技术(第04期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112270050A (zh) 2021-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112270050B (zh) 一种往复式压缩机转子系统扭转振动的设计方法
CN101950319B (zh) 一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法
EP1889192B1 (en) Simulation environment
CN104077428B (zh) 一种服务产业联盟的远程有限元分析方法
CN102314534B (zh) 一种基于振动可靠性和遗传算法的齿轮齿廓修形方法
CN105808829A (zh) 一种基于cpu+gpu异构并行计算的透平机械叶片固有频率特性分析方法
CN105550464A (zh) 一种基于切割边界变形约束的新子模型有限元分析方法
CN113569359A (zh) 一种基于惯性释放法的双足机器人结构拓扑优化方法
CN107368660A (zh) 一种预测周期性点阵材料屈服面的分析方法
CN106650073B (zh) 一种平衡力系边界条件子模型分析方法
CN108256246B (zh) 一种基于Unity3D的多孔材料的设计方法和装置
CN112115616B (zh) 一种输电塔的动力学特性分析方法及装置
CN104361172B (zh) 次同步谐振的机电联合仿真方法及系统
CN115982859A (zh) 用于可温控的车用动力电池箱轻量化模拟分析系统及方法
Thriveni et al. Modal analysis of a single cylinder 4-stroke engine crankshaft
CN114297877A (zh) 杆结构超材料结构多工况仿真自动化系统及方法
CN114770977A (zh) 一种自动铺丝工装的设计方法、装置、设备及存储介质
CN109190266A (zh) 一种基于adams软件的多刚体动力学简化建模方法
CN101639868B (zh) 配重计算机模拟分析设计方法
CN1103443C (zh) 非对称转子的全息动平衡方法
CN103217924A (zh) 面向实时控制应用的过约束重型并联机床动力学建模方法
Meng et al. 3-d finite element analysis on 480 diesel crankshaft
CN107391783B (zh) 一种基于有限元理论的非对称联合循环机组轴系振动监测方法
Jie et al. A modal analysis for vehicle's crankshaft
Beloborodov et al. Control of dynamic stability of complex systems

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant