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压缩机活塞环的强度分析

发布于:2016-02-13 19:06
强度分析

      压缩机活塞环由聚四氟乙烯(简称PTFE)材料制备而成,工作过程中,它填充于气缸套和活塞之间,其靠近吸气口的端面在吸气排气压差的作用下,大部分都紧贴活塞,这里吸气压力为1.45MPa(表压,以下同),排气压力为3.2MPa。活塞环外径514.3mm,内径466.8mm,与活塞贴紧部分的圆环外径499.8mm,轴向厚度为12.8mm。为便于安装与密封避免漏气,该活塞环采用开口非闭环结构。
      实际强度分析中,考虑到活塞环与气缸壁以及活塞的相互作用,对其结构与载荷进行了适当简化,主要体现在:①工作过程中,活塞环在高温环境下(800℃)会膨胀与气缸套接触,因此其径向变形会受到约束,但在充分润滑的情况下,活塞环与气缸套之间的摩擦力很小,因此简化模型忽略了活塞环的轴向摩擦力,②该活塞环是一个准轴对称实体,考虑到载荷及形状的对称分布,根据弹性力学相关原理,有限元分析计算模型只取活塞环的1/2,简化的活塞环三维力学模型见图。
      1)图中边界1是模型内部对称截面,因此笛卡尔坐标系下,它的X向、Y向位移都应为零,2)边界2为活塞环的外侧面,由于它受到气缸套的约束,因此在圆柱坐标系下,其径向位移将受约束,3)边界3是活塞环端面与活塞紧密接触的部位,该端面将受到来自活塞的约束,轴向z的位移为零,4)边界4是活塞环端面未受约束的部分区域,承受压缩机均布吸气压力p=1.45MPa的作用,5)边界5是活塞环的内侧面,承受排气压力P=3.2MPa的作用,为均布载荷,6)边界6是活塞环的自由端面,承受均布排气压力p=3.2MPa的作用。计算模型的网格划分采用Solid45空间六面体单元(8节点)。活塞环三维实体建模后,进行自下而上的网格划分与优化,并对与活塞接触的局部区域作了网格细化,共划分得2340个单元,含4098个节点,具体网格分布由图给出。
      整个开孔平盖的实体建模、网格划分以及求解都是通过国际通用有限元强度分析AppANSYS来完成。利用活塞环简化力学模型计算得到的有限元结果参见图,图中给出了活塞环的应力强度分布。从图中可以看出,在活塞环与活塞接触的边缘区域存在一定的应力集中,并以此为界沿径向降低,这与活塞环的实际受力情况相符。同时观察发现,最大应力点出现在活塞环端部横截面上,这是由于简化力学模型将此处处理为固支所致。有限元结果评定中,首先要依危险路径进行线性化处理,然后再根据JB473-2005分析设计标准进行分类组合评定。这里通过最大应力点沿厚度方向(即轴向)作线性化路径,具体见图。该路径上的一次总体薄膜应力强度SI、一次薄膜、一次弯曲应力强度SIQ以及一次加二次应力强度SW的分布由JB4732-2005列示。从JB473-2005可以看出,最大应力强度出现在边界面6一侧,对应的数值分别为4.733MPa、5.198MPa和5.198MPa,而聚四氟乙烯(简称PTFE)材料的设计应力强度等于5.0MPa,因此上述应力均远小于或接近它们对应的许用极限。由此根据JB473-2005分析设计标准可知活塞环在当前力学模型下强度安全。同时由于活塞环与活塞接触的边缘存在剪切风险,因此这里提取了有限元节点解,Z向剪切力的应力分布云图参见图。从图中可以看出,最大轴向剪应力为0.911873MPa,远小于PTFE材料的许用剪应力2.5MPa,同时与前面改进活塞环的轴向剪应力的理论计算结果0.984MPa吻合较好,误差不超过8%。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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