汽车涡旋压缩机壳体有限元分析设计【字数：8946】
以铝代钢已经成为汽车轻量化技术的一个重要发展趋势，以往的压缩机壳体普遍采用钢，在本课题中的压缩机壳体是采用以铝代钢的方式实现轻量化。依据压力容器设计规范GB150.3-2011，通过理论计算，利用CATIA软件对压缩机壳体进行三维建模。基于涡旋压缩机壳体的理论模型，运用ANSYS Workbench软件对壳体进行有限元分析。在极限压力工况和工作压力工况下，分别采用非线性有限元分析和静态结构分析，对新能源汽车涡旋压缩机壳体进行强度分析；根据涡旋压缩机壳体各处的分析情况，对压缩机壳体的结构进行相应的优化调整。
目 录
1 绪论 1
1.1 压缩机发展现状和趋势 1
1.2 涡旋压缩机研究情况 1
1.3 本文研究内容 3
2 涡旋压缩机壳体理论计算 4
2.1 涡旋压缩机基本结构介绍 4
2.2 卧式涡旋压缩机结构 4
2.3 涡旋压缩机壳体材料选用 5
2.4 涡旋压缩机壳体关键参数计算和选用 6
3 涡旋压缩机壳体三维建模 8
3.1 涡旋压缩机缸体三维建模 8
3.2 涡旋压缩机底封和端盖建模 8
3.3 涡旋压缩机壳体总成装配 9
4 涡旋压缩机壳体有限元分析 10
4.1 模型前处理 10
4.1.1 有限元模型建立 10
4.1.2 网格划分 10
4.2 工作压力1.7MPa，缸体应力分析 11
4.3 缸体破裂工况分析 11
4.3.1 压缩机壳体材料属性 11
4.3.2 高压8.3MPa，低压5.2MPa时缸体破裂分析 12
5 涡旋压缩机壳体结构优化 15
5.1 壳体优化方法 15
5.2 壳体优化分析 15
5.2.1 工作压力1.7MPa，缸体应力分析 16
5.2.2 高压8.3MPa，低压5.2MPa时缸体破裂分析 18
6 总结 20
参考文献 21
致谢 22
1 绪论
1.1 压缩机发展现状 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
和趋势
当今世界，全球都面临着不可再生资源的枯竭、资源浪费和环境的日益恶化。国民经济的日趋增长和环境资源的矛盾日益加深，各行各业致力于如何实现能源资源节约。伴随着国民经济的快速增长，人们生活水平也不断提高，越来越多的设备都依赖于压缩机产生动力完成工作，这在很大程度上给人类提供了便捷。也因此无论在人们熟知的家电领域，还是在汽车行业，甚至是一些化工工艺流程，压缩机一直在各行各业占有一席之地。
现如今问世的压缩机分为两大类：容积型和速度型，其中离心式压缩机就属于速度型，而容积型的使用范围更广，螺杆式、涡旋式、活塞式均包含于其内，还有一些新型结构还没有普及。除了化工工艺用压缩机比较特殊，如今家用冰箱和空调用压缩机大多为容积型，也有部分制冷量较大的大型空调、制冷设备会采用离心式压缩机，而许多机械、建筑等工业中会用到容积型压缩机作为制造动力的工具。涡旋式压缩机作为容积型压缩机的其中一类，在日常生活中的应用颇为广泛，日立、松下等世界空调行业的领先者在涡旋压缩机的研究方面也备受人们推崇。
涡旋压缩机是一种主要由动静涡旋盘、壳体和机架等部件组成的容积式压缩的压缩机。涡旋压缩机的工作原理是随动涡旋由外向内旋转，工质被逐渐压缩，从而完成吸气、压缩、排气的连续过程[1]。相对于传统往复式、滚动活塞式及螺杆式压缩机，涡旋式压缩机具有效率高、可靠性强、低噪声与低振动、重量轻、体积小等特点[2]。但涡旋体型线加工精度高，关键部件之间的密封较为困难，技术方面仍有局限性。
1.2 涡旋压缩机研究情况
纵观压缩机的发展史，人类其实一直都在进行着关于涡旋式压缩机的探讨，试图寻找压缩机的新型结构来提高效率，涡旋压缩机的提出距今也已有约一个世纪。然而在上个世纪初，由于外在条件的限制，涡旋压缩机的提出并没有得到深入的研究和发展，在其它种类的压缩机早已蓬勃发展的情况下，涡旋式压缩机由于技术不足始终没有化理论为实际；直至上世纪70年代的能源危机，高精度数控铣床的问世，为涡旋式压缩机的制造带来了极大的便利，从而促进了涡旋式压缩机的快速发展。1972年，美国公布有关涡旋式压缩机研究报告并开发出压缩氦气的涡旋压缩机，其存在大大体现了涡旋式压缩机较之其他压缩机所无法替代的优势；上世纪80年代初，涡旋式压缩机的批量生产起自日本，紧跟着日本的步伐，诸多发达国家也开始大规模生产；到上世纪末，涡旋式压缩机几近占据了整个压缩机市场。
相比之下，我国的技术在当时远不及国外，仅仅只是刚刚开始研制，通过引进国外技术，终于在1987年成功试制出第一台涡旋式压缩机。当前涡旋式压缩机主要集中在我国、日本、美国等国进行研究制造[3]。通过多年来的研究和推广，涡旋压缩机已广泛应用于空调和制冷行业。过去，制冷（冷冻）行业往往采用螺杆式和活塞式压缩机，而涡旋式压缩机更受空调行业的青睐。在比泽尔和GEA博客等重点企业的推广下，涡旋式压缩机在车用空调领域占比也逐年上升，技术不断成熟[4]。此时，涡旋式压缩机已经取代其他类型的压缩机，逐渐占领空调用压缩机的市场，而在冷冻市场并不景气。随着涡旋压缩机在空调行业的广泛使用，为了寻求新的市场，部分企业发现了商机，对低温涡旋式压缩机市场投入关注，开始研制适合冷冻市场的涡旋式压缩机。近年，在重点企业的大力推广之下，涡旋式压缩机在许多冷冻领域都有所应用，在中高温小型冷库市场的增长尤为明显[4]。如今，随着技术的不断发展，人类致力于如何提高涡旋压缩机的使用寿命，并进行更大范围的推广。大容量、节能和环境保护是涡旋式压缩机未来主要的技术发展趋势，节能降耗技术、变频技术、摩擦与润滑技术在此领域的应用将成为近年来的研究热点[2]。
随着汽车保有量的增加，能源、环保问题也日益突出，全世界都在号召节能减排，人类不断地探索研究新技术，从而达到降低能耗、减少污染物排放的目的。作为其中最有效的措施之一，汽车轻量化技术成为提高汽车燃油经济性、减少汽车污染物排放、实现汽车产业可持续发展的重要手段。汽车轻量化，是指在保证汽车的强度和安全性的前提下，尽可能地降低汽车的自身质量，达到节能减排的目的[5]。汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，压缩机作为汽车的一个重要部件，其轻量化也十分值得重视。现如今，人们大多研究涡旋压缩机的涡旋盘部分，极少研究壳体，而壳体作为一个质量相对比较大的部件，一旦实现轻量化，可以很大程度上降低总质量。而以铝代钢是实现轻量化的一个重要方式，铝合金作为汽车中应用最广泛的轻质材料，它的使用可以达到30%60%的减重效果，每千克铝合金的使用可以减少1320kg温室气体的排放[5]，有效实现了能源资源节约的方针。
目 录
1 绪论 1
1.1 压缩机发展现状和趋势 1
1.2 涡旋压缩机研究情况 1
1.3 本文研究内容 3
2 涡旋压缩机壳体理论计算 4
2.1 涡旋压缩机基本结构介绍 4
2.2 卧式涡旋压缩机结构 4
2.3 涡旋压缩机壳体材料选用 5
2.4 涡旋压缩机壳体关键参数计算和选用 6
3 涡旋压缩机壳体三维建模 8
3.1 涡旋压缩机缸体三维建模 8
3.2 涡旋压缩机底封和端盖建模 8
3.3 涡旋压缩机壳体总成装配 9
4 涡旋压缩机壳体有限元分析 10
4.1 模型前处理 10
4.1.1 有限元模型建立 10
4.1.2 网格划分 10
4.2 工作压力1.7MPa，缸体应力分析 11
4.3 缸体破裂工况分析 11
4.3.1 压缩机壳体材料属性 11
4.3.2 高压8.3MPa，低压5.2MPa时缸体破裂分析 12
5 涡旋压缩机壳体结构优化 15
5.1 壳体优化方法 15
5.2 壳体优化分析 15
5.2.1 工作压力1.7MPa，缸体应力分析 16
5.2.2 高压8.3MPa，低压5.2MPa时缸体破裂分析 18
6 总结 20
参考文献 21
致谢 22
1 绪论
1.1 压缩机发展现状 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
和趋势
当今世界，全球都面临着不可再生资源的枯竭、资源浪费和环境的日益恶化。国民经济的日趋增长和环境资源的矛盾日益加深，各行各业致力于如何实现能源资源节约。伴随着国民经济的快速增长，人们生活水平也不断提高，越来越多的设备都依赖于压缩机产生动力完成工作，这在很大程度上给人类提供了便捷。也因此无论在人们熟知的家电领域，还是在汽车行业，甚至是一些化工工艺流程，压缩机一直在各行各业占有一席之地。
现如今问世的压缩机分为两大类：容积型和速度型，其中离心式压缩机就属于速度型，而容积型的使用范围更广，螺杆式、涡旋式、活塞式均包含于其内，还有一些新型结构还没有普及。除了化工工艺用压缩机比较特殊，如今家用冰箱和空调用压缩机大多为容积型，也有部分制冷量较大的大型空调、制冷设备会采用离心式压缩机，而许多机械、建筑等工业中会用到容积型压缩机作为制造动力的工具。涡旋式压缩机作为容积型压缩机的其中一类，在日常生活中的应用颇为广泛，日立、松下等世界空调行业的领先者在涡旋压缩机的研究方面也备受人们推崇。
涡旋压缩机是一种主要由动静涡旋盘、壳体和机架等部件组成的容积式压缩的压缩机。涡旋压缩机的工作原理是随动涡旋由外向内旋转，工质被逐渐压缩，从而完成吸气、压缩、排气的连续过程[1]。相对于传统往复式、滚动活塞式及螺杆式压缩机，涡旋式压缩机具有效率高、可靠性强、低噪声与低振动、重量轻、体积小等特点[2]。但涡旋体型线加工精度高，关键部件之间的密封较为困难，技术方面仍有局限性。
1.2 涡旋压缩机研究情况
纵观压缩机的发展史，人类其实一直都在进行着关于涡旋式压缩机的探讨，试图寻找压缩机的新型结构来提高效率，涡旋压缩机的提出距今也已有约一个世纪。然而在上个世纪初，由于外在条件的限制，涡旋压缩机的提出并没有得到深入的研究和发展，在其它种类的压缩机早已蓬勃发展的情况下，涡旋式压缩机由于技术不足始终没有化理论为实际；直至上世纪70年代的能源危机，高精度数控铣床的问世，为涡旋式压缩机的制造带来了极大的便利，从而促进了涡旋式压缩机的快速发展。1972年，美国公布有关涡旋式压缩机研究报告并开发出压缩氦气的涡旋压缩机，其存在大大体现了涡旋式压缩机较之其他压缩机所无法替代的优势；上世纪80年代初，涡旋式压缩机的批量生产起自日本，紧跟着日本的步伐，诸多发达国家也开始大规模生产；到上世纪末，涡旋式压缩机几近占据了整个压缩机市场。
相比之下，我国的技术在当时远不及国外，仅仅只是刚刚开始研制，通过引进国外技术，终于在1987年成功试制出第一台涡旋式压缩机。当前涡旋式压缩机主要集中在我国、日本、美国等国进行研究制造[3]。通过多年来的研究和推广，涡旋压缩机已广泛应用于空调和制冷行业。过去，制冷（冷冻）行业往往采用螺杆式和活塞式压缩机，而涡旋式压缩机更受空调行业的青睐。在比泽尔和GEA博客等重点企业的推广下，涡旋式压缩机在车用空调领域占比也逐年上升，技术不断成熟[4]。此时，涡旋式压缩机已经取代其他类型的压缩机，逐渐占领空调用压缩机的市场，而在冷冻市场并不景气。随着涡旋压缩机在空调行业的广泛使用，为了寻求新的市场，部分企业发现了商机，对低温涡旋式压缩机市场投入关注，开始研制适合冷冻市场的涡旋式压缩机。近年，在重点企业的大力推广之下，涡旋式压缩机在许多冷冻领域都有所应用，在中高温小型冷库市场的增长尤为明显[4]。如今，随着技术的不断发展，人类致力于如何提高涡旋压缩机的使用寿命，并进行更大范围的推广。大容量、节能和环境保护是涡旋式压缩机未来主要的技术发展趋势，节能降耗技术、变频技术、摩擦与润滑技术在此领域的应用将成为近年来的研究热点[2]。
随着汽车保有量的增加，能源、环保问题也日益突出，全世界都在号召节能减排，人类不断地探索研究新技术，从而达到降低能耗、减少污染物排放的目的。作为其中最有效的措施之一，汽车轻量化技术成为提高汽车燃油经济性、减少汽车污染物排放、实现汽车产业可持续发展的重要手段。汽车轻量化，是指在保证汽车的强度和安全性的前提下，尽可能地降低汽车的自身质量，达到节能减排的目的[5]。汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，压缩机作为汽车的一个重要部件，其轻量化也十分值得重视。现如今，人们大多研究涡旋压缩机的涡旋盘部分，极少研究壳体，而壳体作为一个质量相对比较大的部件，一旦实现轻量化，可以很大程度上降低总质量。而以铝代钢是实现轻量化的一个重要方式，铝合金作为汽车中应用最广泛的轻质材料，它的使用可以达到30%60%的减重效果，每千克铝合金的使用可以减少1320kg温室气体的排放[5]，有效实现了能源资源节约的方针。
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