压缩机曲轴结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：8925】
摘 要压缩机是制冷系统的核心，曲轴是压缩机的动力传动部件。曲轴作为压缩机的重要部分，在工作过程中要承受来自空气压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用，所以其性能尤为重要。本文采用HyperMesh 11.0软件，对曲轴进行网格划分，根据实际情况进行约束和加载，分析得到了曲轴的应力应变情况，分析其薄弱之处，同时优化压缩机曲轴的结构，并对其进行结构优化设计。结果表明，最大形变降低了9%，最大应力10%，完成了本次的优化设计。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景与意义 1
1.2有限元分析的概念 1
1.3有限元国内外发展情况 2
1.4课题研究内容与目标 2
第二章 零件的模型处理 3
2.1 UGS NX 7.5软件概述 3
2.2零件的简单处理 3
第三章 有限元分析 7
3.1 HyperMesh 11.0软件概述 7
3.2 网格的划分 7
3.2.1 选择配置文件 7
3.2.2 导入模型文件 7
3.2.3 划分网格 8
3.2.4 材料属性设置 9
3.2.5 约束条件 11
3.2.6 载荷 12
3.2.7 增加载荷和附加约束的步骤 12
第四章 计算结果分析及优化 14
4.1 应力与变形分析 14
4.2 软件计算的步骤 14
结束语 16
致谢 17
参考文献 18
第一章 绪论
1.1课题的背景与意义
压缩机是一种以压缩气体为手段从而增加气体压力或者运输气体的机器。压缩机被广泛的使用在矿业、食品、制冷与气体分离工程、冶金、机械制造、土木工程、国防工业等领域[1]。此外，医疗、纺织、农业、交通等领域的需求也同样在不断的增加。压缩机因为它的通用性所以被称为“通用机械” [2]。由于压缩机的运用范围比较高，压缩需要的力也就不同，曲轴作为压缩机的核心部分，所以其结构尤为重要，本论文就是对曲轴进行静力分析。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 1.2有限元分析的概念
有限元分析的目的是为了获得具有任意复杂几何形状的变形体的精确的力学信息，并且在复杂外力的作用下，获得完整的内部信息，也就是获得变形体的三种力学信息(位移、应变和应力)。
任何具有一定用途的部件(称为变形体)都是由满足要求的材料制成的。在设计阶段，在可能的外力作用下分析构件的内部状态时非常有必要的。检查所采用的材料是否足够的安全可靠，这样就可以避免一些重大安全事故的发生。通常有三种描述可加载组件的机械信息:(1)在构件中任意位置所引起的运动(称为位移);(2)构件中任何位置的轴承所引起的变形状态(称为应变);(3)在部件中任何位置的轴承所引起的应力状态(称为应力)。
在精确力学分析的基础上，设计者可以对设计对象的强度和刚度进行非常详细地评估，然后修改其中的不合理的参数部分，这样就可以获得较为精确的数据。然后，对最终的力学评价和验证进行正确的有限元分析，便可以确定最终的设计方案。
为什么我们可以用有限元法分析任意复杂几何结构的结构，得到准确的结果?这是因为有限元方法是基于“离散逼近”的基本策略，而且可以非常频繁地使用这一策略。现在很多的函数都是复杂的，不是一个简单的原始函数[3]。一个复杂的函数可以通过一系列基本函数的组合“近似”，即函数逼近。有两种典型的方法:基于全局的扩展(如傅立叶级数展开)，以及子域基块函数组合(例如，使用分段线性函数连接) [4]。
基于分段的函数描述具有非常明显的优点:(1)原始函数的复杂性可以“方便地简化”，使其能够表达的很清楚，然后被解决，(2)使用的简单函数可以手动选择。因此，可以较为轻松地选择出最简单的线性函数，或者从低阶到高阶的多项式函数。(3)原来的复杂的微分方程可以分解可以转化为线性代数方程。但是，分割也有可能带来一些问题。
综合上述描述的分段函数的有点和问题，只要能够使用功能良好的有限元软件和能够高速处理数据的计算机，就可以完全的发挥“降低复杂性和简化”策略的优势，而有限元分析的概念就在这里。
1.3有限元国内外发展情况
随着现代科学的不断发展，人们在不断地发明创造更集成化的建筑、更敏捷的交通工具、更领先的机械设备和更高效的发电机组。这一切的需求，都由设计师在不断的努力，分析和计算结构的静态和动态强度，以及温度场、流场、电磁场、渗流等技术参数。并进一步提高它们运行效率的参数[5]。这些操作都是可以利用微观的计算来达成。近年来，有限元分析(FEA)在数值分析方法和计算机技术的帮助下，为能够解决这些复杂的工程分析和计算问题提供了一种较有效的方法。在“九五”期间，中国正在大力的推广CAD技术。尤其是在机械工业中，CAD对大中型企业的普及程度由20%提升到了70%。随着CAD应用在各个公司中的大量使用，工程师和技术人员已经可以更加高效的使用图纸，将其重点放在了如何快速的进行优化设计和大幅度提高工程产品的质量上。计算机辅助工程分析(CAE)方法和软件便成为了技术要素的一个关键。同样在工程实践中，有限元分析软件和CAD系统的综合应用在设计水平上也有了质的飞跃[6]。
在国际上，早在20世纪60年代初，国际上花费大量的人力物力财力投资在有限元软件的开发与创新上，因此国际上的发展情况比较早。但是，真正的诞生是在20世纪的70年代初期时候，为了能够满足当时市场的需求，适应计算机硬件条件和软件的技术迅速的发展，大力推广了有限元软件的产品，因此，从某一方面来说，大幅度的改进和拓宽了软件的功能、性能、用户界面、预处理以及其后处理的能力[7]。这便使得当前比较著名的CAE软件能在市场上基本满足现在各种用户的需求，提高他们的软件运用能力，从而帮助用户解决成千上万的实际工程问题，并同时进行软件的升级，这样也就达到良性的循环模式，达成了双赢。
1.4课题研究内容与目标
有限元法在当今的机械设计中有着非常重要的作用。由于它的设计原理很简单易懂，并且在机械设计上具有非常快的工作效率，所以能够被大量的普及到用户身上。本课题的研究项目是压缩机的曲轴。压缩机的实际工作就是压缩气体，从而增加压力，增加吸入压力状态到排气压力状态，因此，曲轴的重要非常突出。这样我们就需要对曲轴进行了仿真分析，发现曲轴在结构会存在的问题，并对曲轴的结构进行适度的优化，从而还能保证压缩机工作的性能。网格划分是有限元中非常重要的一个步骤，网格划分的质量将会直接影响最后计算结果的准确性和计算工作量。所谓优化设计其实就是一种从多种已知的解决方案中选择一个较为容易实现的最佳方案的设计方法。它就是以数学上的最优化为基础理论，利用计算机能快速准确的计算作为一种手段，根据设计所追求的性能目标确定最大变形和最大应力的降低。目标函数在给定的各种多样的约束条件和多个载荷下，寻求一个最优的设计方案，只有这样才能够满足设计的要求。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景与意义 1
1.2有限元分析的概念 1
1.3有限元国内外发展情况 2
1.4课题研究内容与目标 2
第二章 零件的模型处理 3
2.1 UGS NX 7.5软件概述 3
2.2零件的简单处理 3
第三章 有限元分析 7
3.1 HyperMesh 11.0软件概述 7
3.2 网格的划分 7
3.2.1 选择配置文件 7
3.2.2 导入模型文件 7
3.2.3 划分网格 8
3.2.4 材料属性设置 9
3.2.5 约束条件 11
3.2.6 载荷 12
3.2.7 增加载荷和附加约束的步骤 12
第四章 计算结果分析及优化 14
4.1 应力与变形分析 14
4.2 软件计算的步骤 14
结束语 16
致谢 17
参考文献 18
第一章 绪论
1.1课题的背景与意义
压缩机是一种以压缩气体为手段从而增加气体压力或者运输气体的机器。压缩机被广泛的使用在矿业、食品、制冷与气体分离工程、冶金、机械制造、土木工程、国防工业等领域[1]。此外，医疗、纺织、农业、交通等领域的需求也同样在不断的增加。压缩机因为它的通用性所以被称为“通用机械” [2]。由于压缩机的运用范围比较高，压缩需要的力也就不同，曲轴作为压缩机的核心部分，所以其结构尤为重要，本论文就是对曲轴进行静力分析。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
/> 1.2有限元分析的概念
有限元分析的目的是为了获得具有任意复杂几何形状的变形体的精确的力学信息，并且在复杂外力的作用下，获得完整的内部信息，也就是获得变形体的三种力学信息(位移、应变和应力)。
任何具有一定用途的部件(称为变形体)都是由满足要求的材料制成的。在设计阶段，在可能的外力作用下分析构件的内部状态时非常有必要的。检查所采用的材料是否足够的安全可靠，这样就可以避免一些重大安全事故的发生。通常有三种描述可加载组件的机械信息:(1)在构件中任意位置所引起的运动(称为位移);(2)构件中任何位置的轴承所引起的变形状态(称为应变);(3)在部件中任何位置的轴承所引起的应力状态(称为应力)。
在精确力学分析的基础上，设计者可以对设计对象的强度和刚度进行非常详细地评估，然后修改其中的不合理的参数部分，这样就可以获得较为精确的数据。然后，对最终的力学评价和验证进行正确的有限元分析，便可以确定最终的设计方案。
为什么我们可以用有限元法分析任意复杂几何结构的结构，得到准确的结果?这是因为有限元方法是基于“离散逼近”的基本策略，而且可以非常频繁地使用这一策略。现在很多的函数都是复杂的，不是一个简单的原始函数[3]。一个复杂的函数可以通过一系列基本函数的组合“近似”，即函数逼近。有两种典型的方法:基于全局的扩展(如傅立叶级数展开)，以及子域基块函数组合(例如，使用分段线性函数连接) [4]。
基于分段的函数描述具有非常明显的优点:(1)原始函数的复杂性可以“方便地简化”，使其能够表达的很清楚，然后被解决，(2)使用的简单函数可以手动选择。因此，可以较为轻松地选择出最简单的线性函数，或者从低阶到高阶的多项式函数。(3)原来的复杂的微分方程可以分解可以转化为线性代数方程。但是，分割也有可能带来一些问题。
综合上述描述的分段函数的有点和问题，只要能够使用功能良好的有限元软件和能够高速处理数据的计算机，就可以完全的发挥“降低复杂性和简化”策略的优势，而有限元分析的概念就在这里。
1.3有限元国内外发展情况
随着现代科学的不断发展，人们在不断地发明创造更集成化的建筑、更敏捷的交通工具、更领先的机械设备和更高效的发电机组。这一切的需求，都由设计师在不断的努力，分析和计算结构的静态和动态强度，以及温度场、流场、电磁场、渗流等技术参数。并进一步提高它们运行效率的参数[5]。这些操作都是可以利用微观的计算来达成。近年来，有限元分析(FEA)在数值分析方法和计算机技术的帮助下，为能够解决这些复杂的工程分析和计算问题提供了一种较有效的方法。在“九五”期间，中国正在大力的推广CAD技术。尤其是在机械工业中，CAD对大中型企业的普及程度由20%提升到了70%。随着CAD应用在各个公司中的大量使用，工程师和技术人员已经可以更加高效的使用图纸，将其重点放在了如何快速的进行优化设计和大幅度提高工程产品的质量上。计算机辅助工程分析(CAE)方法和软件便成为了技术要素的一个关键。同样在工程实践中，有限元分析软件和CAD系统的综合应用在设计水平上也有了质的飞跃[6]。
在国际上，早在20世纪60年代初，国际上花费大量的人力物力财力投资在有限元软件的开发与创新上，因此国际上的发展情况比较早。但是，真正的诞生是在20世纪的70年代初期时候，为了能够满足当时市场的需求，适应计算机硬件条件和软件的技术迅速的发展，大力推广了有限元软件的产品，因此，从某一方面来说，大幅度的改进和拓宽了软件的功能、性能、用户界面、预处理以及其后处理的能力[7]。这便使得当前比较著名的CAE软件能在市场上基本满足现在各种用户的需求，提高他们的软件运用能力，从而帮助用户解决成千上万的实际工程问题，并同时进行软件的升级，这样也就达到良性的循环模式，达成了双赢。
1.4课题研究内容与目标
有限元法在当今的机械设计中有着非常重要的作用。由于它的设计原理很简单易懂，并且在机械设计上具有非常快的工作效率，所以能够被大量的普及到用户身上。本课题的研究项目是压缩机的曲轴。压缩机的实际工作就是压缩气体，从而增加压力，增加吸入压力状态到排气压力状态，因此，曲轴的重要非常突出。这样我们就需要对曲轴进行了仿真分析，发现曲轴在结构会存在的问题，并对曲轴的结构进行适度的优化，从而还能保证压缩机工作的性能。网格划分是有限元中非常重要的一个步骤，网格划分的质量将会直接影响最后计算结果的准确性和计算工作量。所谓优化设计其实就是一种从多种已知的解决方案中选择一个较为容易实现的最佳方案的设计方法。它就是以数学上的最优化为基础理论，利用计算机能快速准确的计算作为一种手段，根据设计所追求的性能目标确定最大变形和最大应力的降低。目标函数在给定的各种多样的约束条件和多个载荷下，寻求一个最优的设计方案，只有这样才能够满足设计的要求。
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